Wprowadzenie

Definicja biotechnologii

„Zintegrowane zastosowanie biochemii, mikrobiologii i inżynierii w celu technicznego

wykorzystania zdolności drobnoustrojów, kultur tkankowych i/lub ich części (enzymy)”.

Definicja inżynierii bioprocesowej

Jest nauką stosującą prawa przyrodnicze i ekonomiczne do procesów produkcyjnych i urządzeń

przemysłowych, w których zachodzą procesy mikrobiologiczne, reakcje biochemiczne, zmiany

stanu skupienia, energii lub składu.

Obejmuje badania warunków racy bioreaktorów, opracowanie i udoskonalenie odpowiednich

konstrukcji aparatów oraz modelowanie i optymalizację bioprocesów z udziałem drobnoustrojów,

kultur tkankowych lub ich części - enzymów.

Procesy rozdzielania i oczyszczania substancji to drugi obszar tematyki inżynierii bioprocesowej.

Procesy biotechnologiczne towarzyszyły człowiekowi od zarania dziejów - w tabeli 1 został

zamieszczony umowny podział historii biotechnologii.

Budowa komórki

Najogólniej komórki dzieli się na prokariotyczne (pozbawione typowego jądra komórkowego) i

eukariotyczne, zawierające jądro komórkowe. Człowiek (tak jak inne wielokomórkowe organizmy

wyższe) składa się z kilkuset miliardów komórek eukariotycznych.

Wnętrze komórki jest oddzielone od środowiska zewnętrznego przez błonę komórkową, zbudowaną

z białek i substancji tłuszczowych. Niektóre białka umieszczone w tej błonie transportują cząsteczki

chemiczne do wnętrza albo na zewnątrz komórki.

Komórka jest wypełniona przez cytoplazmę - półpłynną masę, w której są zawieszone różne części

komórki, czyli organella.

W środku komórki eukariotycznej znajduje się jądro komórkowe. Otoczka jądrowa (zbudowana z

dwóch błon białkowo-lipidowych) oddziela wnętrze jądra od cytoplazmy. Jądro komórkowe

zawiera materiał genetyczny, czyli cząsteczki DNA, w których znajdują się geny kontrolujące życie

komórki.

W cytoplazmie pływają mitochondria - organella otoczone podwójną błoną białkowo-lipidową.

Mitochondria wytwarzają większość energii, której komórka potrzebuje do swoich procesów

życiowych. Mitochondria przypominają bakterie - mają własne cząsteczki DNA, wytwarzają

własne białka, rozmnażają się przez podział; ich kształt i rozmiar jest podobny do komórek

bakteryjnych. Prawdopodobnie kiedyś były bakteriami, które na pewnym etapie ewolucji 'zgodziły

się' współpracować z komórkami eukariotycznymi. Teraz ich współpraca z resztą komórki jest tak

bliska, że mitochondria nie mogłyby żyć samodzielnie (między innymi dlatego, że do

prawidłowego działania mitochondriów są potrzebne geny jądra komórkowego).

Cytoszkielet jest wewnętrznym, elastycznym rusztowaniem komórki, które utrzymuje organella na

swoich miejscach, nadaje komórce kształt i potrafi się bardzo szybko przebudowywać w

odpowiedzi na sygnały otrzymywane przez komórkę.

W cytoplazmie jest dużo rybosomów - maleńkich organelli wytwarzających nowe białka.

Rybosomy mogą swobodnie pływać w cytoplazmie albo przyczepiać się do układu cystern i

kanalików określanego jako szorstka siateczka śródplazmatyczna ('szorstka' od doczepionych do

niej rybosomów). Większość białek powstających na wolnych rybosomach jest przeznaczona na

wewnętrzne potrzeby komórki, a białka produkowane na rybosomach siateczki są eksportowane,

czyli wydzielane poza komórkę. Eksportowane białka przechodzą przez aparat Golgiego - stos

płaskich cystern i pęcherzyków - a potem pęcherzyki niosą je w stronę błony komórkowej i

wylewają na zewnątrz komórki.

Oprócz szorstkiej siateczki śródplazmatycznej w komórce jest też gładka siateczka

śródplazmatyczna, do której rybosomy się nie przyczepiają. Zadaniem gładkiej siateczki jest

wytwarzanie lipidów i niszczenie cząsteczek trujących dla komórki.

Inne pęcherzyki pływające w cytoplazmie to lizosomy, które zawierają enzymy trawiące różne

związki chemiczne, i peroksysomy - organella związane z produkcja i rozkładem nadtlenku

wodoru.

W komórkach roślinnych są jeszcze chloroplasty (otoczone podwójną błoną organella, które

przeprowadzają fotosyntezę, czyli reakcje robienia czegoś z niczego, a konkretnie - złożonych

cząsteczek chemicznych z dwutlenku węgla i wody pod wpływem energii światła słonecznego);

ściana komórkowa, która otacza komórki roślinne z zewnątrz i nadaje im sztywność; oraz wakuole

(wodniczki) - duże, otoczone pojedyncza błoną pęcherzyki, do których komórka wydziela różne

substancje.

Nawet z tego pobieżnego wyliczenia widać, że błony białkowo-lipidowe mają dla komórki

szczególne znaczenie. Oddzielają od siebie poszczególne przedziały komórki, co pozwala jej

przeprowadzać w tym samym czasie przeciwstawne reakcje biochemiczne (na przykład jedna część

komórki wytwarza jakieś cząsteczki, a kilka mikrometrów dalej identyczne cząsteczki są spalane w

mitochondriach). Komórka potrafi przesyłać cząsteczki z jednego przedziału (na przykład z

cytoplazmy) do drugiego (na przykład do szorstkiej siateczki śródplazmatycznej). Podział komórki

na różne, otoczone błonami przedziały (inaczej: kompartmenty) to jedno z bardzo użytecznych

rozwiązań, które pozwoliły komórkom eukariotycznym stworzyć organizmy wielokomórkowe z

prawdziwego zdarzenia.

W komórkach prokariotycznych nie ma tak rozbudowanego labiryntu błon białkowo-lipidowych:

cała bakteria to jeden kompartment. Nie ma w niej mitochondriów, siateczek śródplazmatycznych,

chloroplastów, lizosomów ani peroksysomów, a cząsteczka DNA będąca materiałem genetycznym

(tzw. genofor) nie jest otoczona żadną błoną - zajmuje miejsce zwane nukleoidem, które nie jest

oddzielone żadną granicą od innych części komórki.

Elementy biochemii

Są 4 klasy najważniejszych cząsteczek biologicznych:

. białka,

. kwasy nukleinowe,

. lipidy,

. węglowodany (cukrowce).

Węglowodany

Węglowodany stanowiące przeważającą część materii organicznej na Ziemi pełnią wielorakie

funkcje we wszystkich formach życia.

Służą jako:

materiał zapasowy,

paliwo energetyczne,

intermediaty w szlakach metabolicznych,

Skrobia u roślin, glikogen u zwierząt są polisacharydami, które łatwo mogą być uruchamiane w

celu wytwarzania glukozy, podstawowego paliwa przy powstawaniu energii.

ryboza i dezoksyryboza tworzą szkielet struktury RNA i DNA

polisacharydy są elementami strukturalnymi ścian komórkowych bakterii i roślin oraz

zewnętrznych szkieletów stawonogów.

Celuloza, główny składnik roślinnych ścian komórkowych jest jednym z najbardziej

rozpowszechnionych związków organicznych biosfery.

występują w połączeniach z wieloma białkami i lipidami.

Ostatnie badania udowodniły, że jednostki węglowodanowe na powierzchni komórek odgrywają

kluczową rolę w procesach rozpoznawania międzykomórkowego.

Zapłodnienie rozpoczyna się od wiązania plemnika do specyficznego oligosacharydu na

powierzchni komórki jajowej.

Węglowodany - cząsteczki bogate w informacje o dużym znaczeniu dla rozwoju i regeneracji

organizmów.

Kwasy tłuszczowe

Kwasy tłuszczowe spełniają 4 zasadnicze funkcje fizjologiczne:

• Stanowią materiał budulcowy fosfolipidów i glikolipidów.

• Wiele białek ulega modyfikacji przez kowalencyjne związanie z kwasami tłuszczowymi,

które umiejscowiają się w odpowiednim ułożeniu w błonach.

• Są materiałem energetycznym (są magazynowane w postaci triacylogliceroli - estrów

glicerolu nie mających ładunku).

• Pochodne kwasów tłuszczowych pełnią funkcję hormonów, międzykomórkowych

informatorów.

Kwas tłuszczowy składa się z łańcucha węglowodorowego i końcowej grupy karboksylowej.

Większość występujących w układach biologicznych kwasów tłuszczowych zawiera parzystą liczbę

atomów węgla, tworzących nierozgałęziony łańcuch. W łańcuchu występuje zazwyczaj od 14 do 24

atomów węgla, przy czym najczęściej występujące kwasy tłuszczowe zawierają 16 lub 18 atomów

węgla. W nasyconych kwasach tłuszczowych wszystkie atomy węgla w łańcuchu są nasycone

atomami wodoru. Ogólny wzór strukturalny takiego kwasu ma postać:

CH3(CH2)nCOOH gdzie n - liczba parzysta

W jednonienasyconych kwasach tłuszczowych występuje tylko jedno wiązanie podwójne,

natomiast wielonienasycone kwasy tłuszczowe zawierają dwa lub więcej wiązań podwójnych.

Wiązania podwójne w wielonienasyconych kwasach tłuszczowych są oddzielone przez co najmniej

jedną grupę metylenową.

Różnice w budowie przestrzennej kwasów nasyconych i nienasyconych

Grupa

karboksylowa

Łańcuch

wodorowęglowy

Tłuszcze

Tłuszcze właściwe, razem z substancjami podobnymi do tłuszczów, zaliczamy do dużej grupy

LIPIDÓW

Ze względu na charakter ich rozpuszczalności są to połączenia prawie bez wyjątku

nierozpuszczalne w wodzie, a rozpuszczalne w rozpuszczalnikach organicznych.

Tłuszcze obojętne są substancjami złożonymi, pod względem budowy chemicznej należą do estrów.

Komponentą kwasową są nierozgałęzione kwasy jednokarboksylowe, kwasy tłuszczowe.

Komponentą alkoholową jest glicerol, który zawiera trzy grupy hydroksylowe.

Glicerol jako alkohol trójwartościowy może tworzyć estry z jedną, dwiema i trzema cząsteczkami

kwasu. Te estry noszą nazwę mono-, di- lub triacylogliceroli.

Tłuszcze naturalne są zawsze mieszaniną różnych triacylogliceroli.

Woski

Woski naturalne (pszczeli, olbrot, woski roślinne) są mieszaninami różnych substancji. Głównymi

ich składnikami są estry jednowartościowych alkoholi i wyższych kwasów tłuszczowych. Z wosku

pszczelego wyizolowano mirycynę będącą estrem kwasu palmitynowego i alkoholu mirycylowego

C30H61OH, a z wosku wieloryba (olbrot) wyizolowano ester kwasu palmitynowego i alkoholu

cetylowego.

Oprócz estrów, znaleziono w woskach także wyższe, nierozgałęzione węglowodory (powstałe przez

dekarboksylację wyższych kwasów tłuszczowych, estry steroli, wolne kwasy tłuszczowe i

hydroksykwasy).

Białka

Funkcje białek

• enzymy: zwiększają szybkość reakcji chemicznej o 106

• sygnalizacja

• transport i magazynowanie

• struktura i ruch

• odżywianie

• odporność - przeciwciała to białka

• regulacja.

Aminokwas jest zbudowany z grup: karboksylowej, aminowej, atomu wodoru oraz

charakterystycznej grupy R, które wiążą się kowalencyjnie z atomem węgla, określanym jako

węgiel α.

Grupę R nazywamy łańcuchem bocznym aminokwasu.

W roztworze o pH obojętnym aminokwasy występują zasadniczo w formie zjonizowanej jako jony

obojnacze.

W białkach powszechnie występuje 20 aminokwasów, których łańcuchy boczne różnią się

wielkością, kształtem, ładunkiem elektrostatycznym, zdolnością do tworzenia wiązań wodorowych

oraz reaktywnością chemiczną.

Wszystkie białka u wszystkich gatunków od bakterii do człowieka zbudowane są z tego samego

zestawu 20 aminokwasów. Najprostszym aminokwasem jest glicyna, której łańcuchem bocznym

jest tylko atom wodoru = łańcuch alifatyczny.

W zestawie aminokwasów są takie, które mają kwasowe łańcuchy boczne i takie, które mają

zasadowe łańcuchy boczne.

Łańcuchy boczne aminokwasów mogą mieć charakter:

* hydrofobowy - awersja do H2O i skłonność do grupowania się. Jest czynnikiem stabilizującą

strukturę białek (przestrzenną). Takie łańcuchy posiadają: glicyna, alanina, walina, leucyna,

izoleucyna, prolina, fenyloalanina, tyrozyna, tryptofan.

Cysteina odgrywa specjalną rolę w kształtowaniu struktury niektórych białek tworząc mostki

dwusiarczkowe.

* hydrofilowy - zawierają w alifatycznym łańuchu bocznym grupy hydroksylowe (OH-). Są to:

seryna, treonina, lizyna, alginina, histydyna, asparaginian i glutaminian.

Glutamina i asparagina - to pochodne glutaminianu i asparaginianu, które nie mają ładunku w

łańcuchu bocznym na skutek pojawienia się grupy amidowej.

W zależności od cech łańcucha bocznego można podzielić aminokwasy na różne klasy.

Tetraedryczne ułożenie różnych podstawników wokół węgla α nadaje aminokwasom charakter

związków optycznie czynnych.

Wiązanie peptydowe

Białka są zbudowane wyłącznie z L-aminokwasów.

Aminokwasy

Nazwa Skrót Wzór Typ

Glicyna Gly G H-CH(NH2)-COOH alifatyczne,

hydrofobowe

Alanina Ala A CH3-CH(NH2)-COOH alifatyczne,

hydrofobowe

Walina Val V (CH3)2-CH-CH(NH2)-COOH alifatyczne,

hydrofobowe

Luecyna Lue L (CH3)2-CH-CH2-CH(NH2)-COOH alifatyczne,

hydrofobowe

Izoleucyna Ile I CH3-CH2-CH(CH3)-CH(NH2)-COOH alifatyczne,

hydrofobowe

Metionina Met M CH3-S-(CH2)2-CH(NH2)-COOH zawierające siarkę

Cysteina Cys C HS-CH2-CH(NH2)-COOH zawierające siarkę

Prolina Pro P -(CH2)3-CH(NH )-COOH

|__________|

alifatyczne,

hydrofobowe

Fenyloalanina Phe F Ph-CH2-CH(NH2)-COOH aromatyczne

Tyrozyna Tyr Y HO-p-Ph-CH2-CH(NH2)-COOH aromatyczne

Tryptofan Trp W Ph-NH-CH=C-CH2-CH(NH2)-COOH aromatyczne

Arginina Arg R HN=C(NH2)-NH-(CH2)3-CH(NH2)-COOH polarne z ładunkiem

Lizyna Lys K H2N-(CH2)4-CH(NH2)-COOH polarne z ładunkiem

Histydyna His H NH-CH=N-CH=C-CH2-CH(NH2)-COOH polarne z ładunkiem

Asparaginian Asp D HOOC-CH2-CH(NH2)-COOH polarne z ładunkiem

Glutaminian Glu E HOOC-(CH2)2-CH(NH2)-COOH polarne z ładunkiem

Seryna Ser S HO-CH2-CH(NH2)-COOH polarne bez ładunku

Treonina Thr T CH3-CH(OH)-CH(NH2)-COOH polarne bez ładunku

Asparagina Asn N H2N-CO-CH2-CH(NH2)-COOH polarne bez ładunku

Glutamina Gln Q H2N-CO-(CH2)2-CH(NH2)-COOH polarne bez ładunku

Aminokwasy łączą się ze sobą wiązaniami peptydowymi tworząc łańcuch polipeptydowy.

Wiązanie peptydowe łączy grupę karboksylową jednego aminokwasu z grupą aminową drugiego

aminokwasu. Powstaje dipeptyd i uwalnia się cząsteczka H2O. Jako początek łańcucha

polipeptydowego umownie przyjęto jego koniec aminowy, czyli koniec N.

Łańcuch główny złożony jest z regularnie powtarzających się fragmentów, fragmenty zmienne są

charakterystyczne dla łańcuchów bocznych. Masę białka podaje się w Daltonach. 1 Da (jednostka

masy) = masie atomu wodoru = 1,000.

Znane są 3 regularne konformacje łańcucha polipeptydowego:

helisa α, harmonijka β i helisa kolagenu.

W budowie białek wymienia się cztery poziomy ich struktury:

1. Struktura pierwszorzędowa - określa sekwencję aminokwasów.

2. Struktura drugorzędowa - opisuje wzajemne ułożenie reszt aminokwasowych, sąsiadujących

ze sobą w sekwencji liniowej (helisa α, nić β).

3. Struktura trzeciorzędowa - odnosi się do powiązań przestrzennych i wzajemnego ułożenia

reszt aminokwasowych.

4. Struktura czwartorzędowa - opisuje wzajemne ułożenie przestrzenne podjednostek i rodzaj

ich kontaktu.

Błona komórkowa

Lipidy błonowe

Trzema głównymi klasami lipidów znajdujących się w błonach są: glicerofosfolipidy, sfingolipidy i

steroidy. Obecnie klasyfikuje się je następująco:

Fosfolipidy glicerolowe

kwasy fosfatydowe

lecytyny

kefaliny

fosfolipidy inozytolowe

plazmatogeny

Sfingolipidy

sfingomieliny

a. celebrozydy

b. sulfolipidy

gangliozydy

(kursywą zostały zaznaczone glikolipidy)

Sfingolipidy mają jako rdzeń sfingozynę (dwuhydroksylowy aminoalkohol) zamiast glicerolu

obecnego w glicerofosfolipidach. Sfingozyna zawiera 18 atomów węgla i długi łańcuch złożony z

grup CH2, podwójne wiązanie o konfiguracji `trans', grupę aminową i dwie grupy hydroksylowe.

Do cząsteczki sfingozyny dołączony jest pojedynczy łańcuch kwasu tłuszczowego (wiązaniem

amidowym) i albo ufosforylowana grupa „głowy” (w sfingomielinie), albo jedna lub więcej reszt

cukrowych (glikosfingolipidy: cerebrozydy i gangliozydy).

Głównym steroidem w błonach komórek zwierząt jest cholesterol, a w błonach komórek

roślinnych strukturalnie podobny stigmasterol i β-sitosterol. Wielopierścieniowe struktury sterydów

powodują, że są one bardziej sztywne niż inne lipidy błonowe.

Integralne białka błonowe

Integralne białka błonowe są ściśle związane z hydrofobowym rdzeniem dwuwarstwy lipidowej.

Większość białek integralnych jest białkami transbłonowymi i ma jeden (np. glikoforyna) lub

więcej (np. bakteriodopsyna) regionów (domen) łańcucha polipeptydowego przechodzących w

poprzek dwuwarstwy lipidowej. Regiony te są utworzne głównie z aminokwasów mających

hydrofobowe łańcuchy boczne, przy czym aminokwasy te tworzą α helisę i oddziałują

niekowalencyjnie z otaczającymi lipidami. Pewne białka integralne nie przechodzą przez błonę na

wylot, ale są w niej zakotwiczone poprzez złączony kowalencyjnie lipid, który oddziałuje z

hydrofobowym wnętrzem dwuwarstwy. Białka transbłonowe mają po obu stronach błony

asymetryczne domeny.

Peryferyczne białka błonowe

Peryferyczne białka błonowe są tylko luźno związane z błonami - wiązaniami jonowymi i

wodorowymi. Żadna część białka peryferycznego nie oddziałuje z hydrofobowym wnętrzem

dwuwarstwy.

Cukrowce błonowe

Reszty cukrowe występują tylko na zewnątrzkomórkowej powierzchni błony komórkowej, gdzie są

przyłączone albo do lipidów (glikolipidy) albo do białek (glikoproteiny). Cukrowce tworzą płaszcz

na powierzchni komórki i biorą udział w rozpoznawaniu się komórek.

Transport małych cząsteczek

Transport bierny - przemieszczanie cząsteczek poprzez błonę nie wymaga doprowadzenia energii

metabolicznej. Cząsteczka przemieszcza się ze stężenia większego do mniejszego. Szybkość

przemieszczania się cząsteczek jest wprost proporcjonalna do gradientu stężenia tych cząsteczek

w poprzek błony.

Transport bierny ułatwiony - wymaga obecności specyficznych białek błonowych, które

ułatwiają przejście cząsteczki (np. glukozy, innych cukrów, aminokwasów) poprzez błonę. Białko

transportujące jest specyficzne dla danej cząsteczki, podlega wysyceniu, wykazuje określoną

specyfikę wiązania, a jego aktywność zmienia się pod wpływem temperatury, pH i inhibitorów.

Transport aktywny - wymaga nakładu energii metabolicznej. W przypadku aktywnego transportu

napędzanego przez ATP, energia potrzebna do przeniesienia cząsteczki lub jonu (Na+, K+, Ca+ lub

H+) poprzez błonę pochodzi ze sprzężonej z tym transportem hydrolizy ATP. W transporcie

aktywnym napędzanym przez jony ruch cząsteczki transportowanej poprzez błonę jest sprzężony z

ruchem jonu (Na+ lub H+) zgodnym z gradientem jego stężenia. Gdy zarówna transportowana

cząsteczka, jak i jon przemieszczają się przez błonę w tym samym kierunku, proces nazywany jest

symportem. Gdy cząsteczka i jon przemieszczają się w kierunkach przeciwnych, proces nazywany

jest antyportem.

Struktura dna

Zasady - w DNA występują cztery rodzaje zasad: adenina (w skrócie A), guanina (G), tymina (T) i

cytozyna (C). Adenina i guanina są purynami, zaś tymina i cytozyna pirymidynami.

Nukleozydy - związki powstające przez kowalencyjne połączenie zasady purynowej lub

pirymidynowej z cukrem.

Nukleotydy - nukleotyd to zasada + cukier + fosforan połączone razem wiązaniami

kowalencyjnymi.

Nukleotydy w DNA są połączone wiązaniami 3',5'-fosfodiestrowymi, tworząc łańcuch cukrowofosforanowy

o przemiennie powtarzających się resztach deoksyrybozy i fosforanu. Łańcuch taki

stanowi rdzeń, z którym połączone są zasady.

Zasady

Nukleozydy

Nukleotydy

ATP

Wiązania wodorowe między zasadami w DNA

Adenia - Tymina Cytozyna - Guanina

Sekwencja DNA - jest to kolejność występowania A, G, C oraz T w liniowych cząsteczkach DNA;

w sekwencjach DNA jest awarta informacja genetyczna.

Dwuniciowa helisa DNA - w helisie DNA owinięte wokół siebie są dwie nici DNA, których

zasady są skierowane do wnętrza helisy, a rdzeń cukrowo-fosforanowy jest eksponowany na

zewnątrz. Dwie nici DNA są utrzymywane razem przez wiązania wodorowe występujące w parach

zasad. Adenina (A) zawsze tworzy parę z tyminą (T), a guanina (G) z cytozyną (C).

Tworzenie białek - transkrypcja i translacja

Transkrypcja

Proces syntezy RNA na matrycy DNA. Proces ten jest katalizowany przez enzym polimerazę RNA.

Zapoczątkowanie procesu transkrypcji polega na związaniu się polimerazy RNA ze swoim

odcinkiem pasma matrycowego DNA - tzw. promotorem. Rozsunięcie nici DNA na odcinku

kilkunastu nukleotydów umożliwia wstawianie (włączenie) kolejnych, odpowiednich nukleotydów.

Proces ten nazywamy elongacją transkrypcji. Substratami są trifosforany rybonukleozydów (ATP,

GTP, CTP i UTP). Polimeraza RNA przesuwa się systematycznie wzdłuż heliksu DNA i wydłuża

łańcuch RNA, przy czym nukleotydy włączane są z zasadą komplementarności. Powyżej

aktualnego miejsca syntezy powstający hybrydowy kompleks DNA - RNA ulega rozpadowi, DNA

powraca do swojej pierwotnej dwuniciowej struktury, a łańcuch powstającego mRNA oddziela się.

Etap elongacji kończy się, gdy polimeraza RNA dotrze do sekwencji kończącej, wyznaczającej

miejsce terminacji transkrypcji.

Translacja

Proces syntezy białka na matrycy mRNA. Proces ten katalizowany jest przez rybosomy. Translacja

polega na interpretacji informacji zawartej w kolejności ułożenia nukleotydów mRNA, zgodnie z

zasadami kodu genetycznego, na kolejność ułożenia aminokwasów w białku. Translacja odbywa się

w kierunku od 5' do 3' mRNA, a syntetyzowane białko powstaje od końca aminowego do

karboksylowego. Proces składa się z trzech etapów: inicjacji, elongacji i terminacji.

Kod genetyczny

U

C

A

G

U

UUU Phe

UUC Phe

UUA Leu

UUG Leu

UCU Ser

UCC Ser

UCA Ser

UCG Ser

UAU Tyr

UAC Tyr

UAA Koniec

UAG Koniec

UGU Cys

UGC Cys

UGA Koniec

UGG Trp

C

CUU Leu

CUC Leu

CUA Leu

CUG Leu

CCU Pro

CCC Pro

CCA Pro

CCG Pro

CAU His

CAC His

CAA Gln

CAG Gln

CGU Arg

CGC Arg

CGA Arg

CGG Arg

A

AUU Ile

AUC Ile

AUA Ile

AUG Met

ACU Thr

ACC Thr

ACA Thr

ACG Thr

AAU Asn

AAC Asn

AAA Lys

AAG Lys

AGU Ser

AGC Ser

AGA Arg

AGG Arg

G

GUU Val

GUC Val

GUA Val

GUG Val

GCU Ala

GCC Ala

GCA Ala

GCG Ala

GAU Asp

GAC Asp

GAA Glu

GAG Glu

GGU Gly

GGC Gly

GGA Gly

GGG Gly

Enzymy

ENZYMY są katalizatorami, które zwiększają szybkość reakcji chemicznej, same nie ulegając

zmianie. Enzymy są wysoce specyficzne, a ich aktywność może być regulowana. Aby zaszła

reakcja musi zostać pokonana bariera energetyczna związana z przekształceniem cząsteczki

substratu w stan przejściowy. Stan przejściowy ma w przebiegu reakcji najwyższą energię

swobodną. Różnica energii swobodnej między substratem a stanem przejściowym nazywana jest

energią aktywacji. Enzym stabilizuje stan przejściowy i zmniejsza wartość energii aktywacji. W ten

sposób przyspiesza szybkość reakcji nawet do 107 razy, nie zmieniając przy tym równowagi reakcji.

Miejsce aktywne jest regionem enzymu, który wiąże substrat, tworzy kompleks enzym-substrat i

przekształca go w produkt. Miejsce aktywne ma wymiar przestrzenny i często stanowi w

białkowym enzymie zagłębienie lub szczelinę na powierzchni białka, w której substrat związany

jest licznymi słabymi oddziaływaniami. Proponuje się dwa modele wyjaśniające sposób, w jaki

enzym wiąże swój substrat: model zamka i klucza oraz model dopasowania indukowanego.

Katalitycznie aktywna forma enzymu to HOLOENZYM: APOENZYM + KOFAKTOR

Apoenzym to część białkowa enzymu.

Kofaktor to mała jednostka niebiałkowa, aktywna katalitycznie Może być jonem nieorganicznym

bądź złożoną cząsteczką organiczną (zwaną koenzymem). Kofaktor związany z apoenzymem

wiązaniem kowalencyjnym zwany jest grupą prostetyczną.

Czynniki wpływające na aktywność enzymów:

TEMPERATURA wpływa na szybkość reakcji katalizowanej enzymatycznie przez zwiększenie

termicznej energii cząsteczek substratu. Zwiększa to proporcję cząsteczek mających dostateczną

ilość energii. Aby przekroczyć barierę aktywacji, i przez to powoduje wzrost szybkości reakcji.

Zarazem jednak wzrasta energia termiczna cząsteczek samego enzymu, co wywołuje denaturację

białka enzymatycznego, wynikającą z rozerwania niekowalencyjnych oddziaływań (wiązania

wodorowe, siły Van der Waalsa, itp.) utrzymujących funkcjonalną strukturę enzymu.

pH - każdy enzym ma optymalną wartość pH, przy której szybkość katalizowanej reakcji jest

maksymalna. Niewielkie odchylenia od optymalnej wartości pH powodują zmniejszenie szybkości

reakcji. Duże odchylenia wartości pH prowadzą do denaturacji enzymu, wywołanej zmianami w

stanie jonizacji reszt aminokwasów i zerwaniem niekowalencyjnych oddziaływań.

Kinetyka reakcji enzymatycznych

Równanie Michaelisa-Menten

P E ES S E + › - +

Krzywa wzrostu biomasy

Lag faza - komórki adaptują się do nowych

warunków

Faza logarytmiczna (exponencjalna) -

komórki dzielą się ze stałą szybkością

Faza stacjonarna - komórki z taką samą

szybkością rosną i zamierają;

wyczerpywanie się związków biogennych w

podłożu

Faza letalna (obumierania) - komórki

obumierają szybciej niż się namnażają

max

M

S r r

S K

= ·

+ tot cat E k r . = max 1

1

k

k k K cat

M

+

= -

Wzrost biomasy w fazie ekspotencjalnej

Kinetyka pierwszego rzędu

Specyficzna, właściwa szybkość wzrostu

Wzrost biomasy w czasie odniesiony do aktualnego stężenia biomasy:

Limitacja substratem - kinetyka typu Monoda

Model Monoda wiąże kinetykę wzrostu biomasy z limitacją jednym substratem [µ = f(s)] poprzez

dwa parametry maksymalną, specyficzną szybkość wzrostu - µmax i stałą saturacji (powinowactwa

do substratu) - Ks.

Linearyzacja Lineweaver-Burk'a

µ

1

max µ

S K

max

1 µ

S K

1

X k

dt

dX rX . = = 0 ln X kt X + = ( ) kt X X exp 0 =

µ = =

Xdt

dX

dt

X d ln

S K

S

S +

= max µ µ

max max

1 1 1

µ µ µ

+ = S K

S

0 > S

S K

max µ

µ›

. › S max µ µ›

S K S =

2

max µ

µ=

I S K

P S K

S

+ +

= max µ µ

Inhibicja

Hamowanie enzymów przez inhibitory

Inihibicja współzawodnicza

Inhibicja współzawodnicza polega na tym, że inhibitor konkuruje z substratem o miejsce aktywne

enzymu. Powoduje tym wzrost wartości stałej Michaelisa-Menten, ale nie zmniejsza wartości

maksymalnej, właściwej szybkości reakcji.

Inhibicja niewspółzawodnicza

Inhibicja niewspółzawodnicza polega na tym, że inhibitor łączy się z enzymem zmieniając jego

konformację w taki sposób, że zmienia się miejsce aktywne enzymu, co uniemożliwia przyłączenie

się substratu do miejsca aktywnego enzymu. Stała Michaelisa-Menten nie ulega zmianie, natomiast

zmniejszeniu ulega wartość maksymalnej, właściwej szybkości reakcji.

Inhibicja substratowa

Inihibicja produktem

Niemonodowskie opisy kinetyczne

Teissier (1936) Moser (1958)

Contois (1959)

..

.

.

..

.

.

+

·

+

· =

I K

K

S K

S

I

I

M

max µ µ

I

S K

S S K

S

2

max

+ +

=

µ

µ

I S K K S . = 1 2

max

+

= =

I

S

m

K

K

µ

µ µ

..

.

.

.

. .

.

. .

.

. - - = '

max exp 1 S K S µ µ

n

S S K

S +

= " max µ µ

S X K

S

S + ·

= " max µ µ

..

.

.

..

.

.

+ +

· =

I

M K

I S K

S

1

max µ µ

µ

.

Model logistyczny

Właściwa szybkość wzrostu biomasy jest pomniejszona o człon:

Całkując równanie od 0 do t oraz od X0 do Xmax

otrzymujemy:

Kinetyka powstawania produktu

Właściwa szybkość produkcji

1. Produkty bezpośrednio zależne od wzrostu

2. Pośrednie produkty katabolizmu

Luedeking, Piret 1959

3. Metabolity wtórne

2

max

max

max X

X

X

dt

dX µ

µ - · =

Szybkość wzrostu

Szybkość zamierania

..

.

.

..

.

.

- =

max

max 1

X

X µ µ

X

dt

dX . = max µ

max

1

X

X .

..

.

.

..

.

.

- +

=

t

X

X

X X

max

max

0

max

exp 1 µ

dt

dP

X

1 = .

dt

dX

dt

dP α =

X P r r . = . µ .· = .

X

dt

dX

dt

dP . + = ί . ί µ . + · = .

X

dt

dP . = ί

ί = .

PODSTAWY BIODEGRADACJI SUBSTANCJI ORGANICZNEJ

Drobnoustroje wytwarzają enzymy pozostające w komórkach - endoenzymy i wydzielane na

zewnątrz komórek - egzoenzymy. Większość związków organicznych, jak cukry, tłuszcze, białka i

węglowodory i ich pochodne, może stanowić pokarm dla drobnoustrojów. Bakterie nie mogą

bezpośrednio asymilować polipeptydów i polisacharydów zawierających więcej niż 6,7 jednostek

monomerycznych. Związki te muszą ulec hydrolizie (którą katalizują zewnątrzkomórkowe

hydrolazy), aby mogły stanowić źródło węgla dla drobnoustrojów.

Hydroliza wielocukrów - amylazy, pektynazy i celulazy.

Tłuszczów - lipazy

Białek - proteazy.

Produkty hydrolizy są łatwo przyswajane i wykorzystywane w procesach katabolicznych

(oddychania). Oddychanie to proces uzyskiwania energii, która jest magazynowana w związku

zwanym adenozynotrifosforanem (ATP). Procesy oddychania polegają na przeniesieniu w łańcuchu

oddechowym elektronów i protonów odrywanych od utlenianych substratu na końcowy akceptor.

W przypadku oddychania tlenowego akceptorem jest tlen, a beztlenowego azotany, siarczany bądź

związki organiczne.

Energia z ATP jest wykorzystywana w reakcjach anabolizmu (syntez komórkowych, a jej

uwalnianie z ATP prowadzi do powstania adenozynodifosforanu (ADP) i ortofosforanu.

Rozkład substancji organicznej w warunkach tlenowych

Produkty:

50% CO2

50% biomasa drobnoustrojów

Ścieki

dyspersyjne układy mieszanin różnych ciał w wodzie:

Organicznych, nieorganicznych, stałych, ciekłych, gazowych

wydaliny ludzkie i zwierzęce,

substancje

organiczne

energia

synteza

katabolity: CO2,

H2O, NO3

-, SO4

2-

biomasa

resztki i odpadki produktów żywnościowych,

piasek oraz niekiedy popiół i żużel z pieców domowych,

mydła lub inne środki piorące i czyszczące,

szmaty, papier, itp.

Zagrożenia, jakie niosą ze sobą ścieki

Dla człowieka:

gnijące i fermentujące substancje organiczne,

bakterie i wirusy (w tym chorobotwórcze),

różnego rodzaju drobnoustroje zwierzęce i roślinne (w tym pasożyty ludzi i zwierząt).

Dla środowiska naturalnego:

olbrzymia masa związków organicznych nadmierny rozwój mikroflory i mikrofauny w

zbiornikach wodnych nadmierne zużycie tlenu rozpuszczonego w wodzie zniszczenie

ekosystemu.

wiele związków toksycznych hamowanie wzrostu określonych grup organizmów wodnych

Podstawowe wskaźniki określające stan ścieków:

BZT5 - 220 gO2·m-3,

ChZT - 500 gO2·m-3,

zawiesiny - 220 g·m-3,

azot ogólny - 40 gN·m-3,

fosfor ogólny - 8 gP· m-3,

temperatura ścieków,

odczyn pH,

zasadowość - 100 g· m-3.

Część mechaniczna oczyszczalni ścieków

kraty - zatrzymanie grubych zanieczyszczeń,

piaskownik - oddzielenie piasku,

flotatory - flotacja tłuszczu,

osadnik wstępny - sedymentacja zawiesin opadalnych

Część biologiczna

Dwa podstawowe nurty metabolizmu:

- anabolizm (procesy syntez komórkowych)

- katabolizm (procesy degradacyjne źródła węgla i energii)

90% 15% 60% 80% Ze strącaniem

10% 10% 40% 66% Bez strącania

P ogólny N ogólny BZT5 Zawiesiny Część

Typy oddychania:

- tlenowe (akceptor elektronów: tlen)

- beztlenowe (akceptory elektronów: związki organiczne, NO3

-, SO4

2-).

Równanie bezpośredniego utleniania enzymatycznego

CxHyOz + (x + 0,25y - 0,5z)O2 > xCO2 + 0,5y H2O + E1

Równanie biosyntezy komórek:

n(CxHyOz) + nNH3 + n(x + 0,25y - 0,5z -5)O2 > (C5H7NO2)n + n(x-5)CO2 + 0,5(y-4) H2O + E2

Równanie samoutleniania substancji komórkowej

(C5H7NO2)n + 5nO2 > 5nCO2 + 2n H2O + nNH3 + E3

Najbardziej istotne procesy w biologicznym oczyszczaniu scieków:

rozkład substancji organicznych do nieorganicznych; główne pierwiastki, tj. C, H, N są

przekształcane do CO2, H2O i NH3;

utlenianie amoniaku do azotanów (nitryfikacja);

przemiana azotanów do lotnych związków azotowych (denitryfikacja);

usuwanie (wbudowywanie w biomasę) związków fosforu.

Złoże biologiczne:

reaktor (zbiornik) z materiałem wypełniającym, na powierzchni którego rozwija się tzw.

błona biologiczna. Mikroorganizmy zasiedlające błonę biologiczną adsorbują zawarte w

ściekach zanieczyszczenia organiczne i następnie rozkładają je.

Czas potrzebny na wytworzenie 2 mm błony nazywa się dojrzewaniem albo

wpracowywaniem się złoża.

Metoda osadu czynnego

technologie oczyszczania ścieków, których główną cechą jest napowietrzanie ścieków w celu

wywołania wzrostu mikroflory a następnie oddzielenie powstałej biomasy i jej recyrkulacja.

Osad czynny

mieszane kultury mikroorganizmów biorące aktywny udział w oczyszczaniu ścieków i zdolne do

tworzenia łatwo opadalnych zawiesin.

Łańcuch pokarmowy w osadzie czynnym

Destruenci: mikroorganizmy, które wykorzystują związki chemiczne jako źródło energii:

heterotroficzne bakterie i grzyby rozkładające związki organiczne, wiciowce odżywiające się

związkami rozpuszczonymi, bakterie utleniające związki mineralne.

Konsumenci I-go rzędu: bakteriożerne wiciowce, korzenionóżki, orzęski, wrotki, nicienie.

Konsumenci II rzędu (drapieżniki): orzęski drapieżne.

Podstawowy schemat oczyszalni metodą osadu czynnego

Destruenci - bakterie:

bakterie stanowią ok. 95% ogólnej liczebności organizmów oraz ok. 50% masy kłaczków osadu.

Liczebność bakterii - ok. 5,9*109 komórek/cm3;

W przeliczeniu na jednostkę suchej masy jest to 1,3*1012 komórek /g s.m.

Bakterie nitryfikacyjne

w warunkach tlenowych utleniają azot amonowy do azotynów, a następnie do azotanów.

Bakterie heterotroficzne,

w warunkach tlenowych wykorzystują substancje organiczne jako substraty energetyczne i

wzrostowe.

Bakterie akumulujące polifosforany

w osadzie czynnym przemiennie napowietrzanym lub z wydzieloną strefą beztlenową, wykazują

zdolność do kumulacji polifosforanów.

Bakterie zdolne do denitryfikacji

przy braku tlenu redukują azotany do azotu cząsteczkowego i tlenków azotu.

Bakterie przeprowadzające fermentację

przy braku tlenu cząsteczkowego oraz azotanów rozkładają złożone związki organiczne do

niskocząsteczkowych kwasów organicznych oraz alkoholi

Bakterie utleniające związki siarki

wykazują zdolność utleniania zredukowanych związków siarki

Bakterie redukujące związki siarki

Konsumenci

Grupę konsumentów w osadzie czynnym najliczniej reprezentują pierwotniaki. Łącznie

zidentyfikowano 228 gatunków, z czego 70% stanowią orzęski i po 15% wiciowce i

korzenionóżki.

Liczebność pierwotniaków: około 50 tys.osobników/ml, (ok. 5% suchej masy osadu).

Biomasa samych orzęsków może sięgać 9% sumy związków organicznych, a liczebność

ponad 10 tys. osobników/ml.

Rola konsumentów

Zwierzęta odmładzając populacje bakterii przyspieszają ich metabolizm,

Ścieki oczyszczane osadem czynnym pozbawionym konsumentów zawierają:

10 - 15 krotnie większą ilość bakterii zdyspergowanych,

5-krotnie większą liczebność Escherichia coli,

5-krotnie większe BZT5,

4-krotnie większą ilość zawiesin ogólnych oraz

3-krotnie większą mętność.

Struktura osadu czynnego:

Mikroorganizmy w osadzie czynnym występują głównie w postaci skłaczkowanej. Struktura

kłaczków jest utrzymywana dzięki śluzowi wytwarzanemu przez Zooglea ramigera oraz

obecności bakterii nitkowatych. Możliwe jest formowanie dużych i zwartych agregatów

Usuwanie związków azotu

Najbardziej rozpowszechnioną metodą usuwania związków azotu jest wykorzystanie dwóch

procesów: nitryfikacji (utlenienia azotu amonowego do azotanowego) i denitryfikacji (redukcji

azotu azotanowego do atmosferycznego).

Nitryfikacja

I etap: NH4

+ + 1,5 O2 > NO2

- + H2O + 2 H+

Nitrosomonas, Nitrosolobus i Nitrosococcus

II etap: NO2

- + 0,5 O2 > NO3

-

Nitrobacter, Nitrospira i Nitrococcus

Razem: NH4

+ + 2 O2 > NO3

- + H2O + 2 H+

Szybkość procesu nitryfikacji jest limitowana przez szybkość pierwszego etapu - Nitrobacter rosną

niemalże dwukrotnie szybciej niż Nitrosomonas.

Wymagania pokarmowe

Do budowy biomasy bakterie nitryfikacyjne czerpią węgiel z dwutlenku węgla lub węglanów

(chemolitoautotrofy).

Zapotrzebowanie na tlen

Podczas biosyntezy uwalniany jest tlen

4 CO2 + HCO3— + NH4

+ + H2O > C5H7NO2 + 5 O2

Utlenienie jednego mola jonów amonowych wymaga dostarczenia dwóch moli tlenu, co odpowiada

4,57 gO2·(g N-NH4

+)-1. Z uwzględnieniem procesu biosyntezy zapotrzebowanie na tlen wynosi ok.

4,2 gO2·(g N-NH4

+)-1. Przyjmuje się, że do prawidłowego przebiegu procesu nitryfikacji niezbędne

jest utrzymywanie stężenia tlenu powyżej 2 mgO2·dm-3.

Odczyn środowiska

Optymalne pH do wzrostu 7,5 - 8,0

Proces nitryfikacji powoduje wzrost kwasowości środowiska. Utlenienie jednego mola jonów

amonowych prowadzi do powstania dwóch moli jonów wodorowych. Te z kolei reagują z jonami

wodorowęglanowymi obecnymi w środowisku. 1 mg NH4-N odpowiada 8,72 mg HCO3

- (0,143

mmol HCO3

-) .

Denitryfikacja

NO3

-> NO2

- >NO >N2O >N2

10[H] + 2H+ + 2NO3

- > N2 + 6H2O

Bardzo wiele drobnoustrojów. W oczyszczalniach ścieków głównie bakterie z rodzajów

Paracoccus, Alcaligenes

Wymagania pokarmowe

Heterotrofy - potrzebują łatwo przyswajalnych związków organicznych - ok. 4,5 gO2·(gN-NOx)-1

Odczyn środowiska

Optymalne pH 7 - 8, tolerowane 5,8 - 9,2

Reakcje zachodzące w trakcie denitryfikacji prowadzą do wzrostu zasadowości środowiska:

1 mg NO3

--N odpowiada 4,35 mg HCO3

-

Tlen jest inhibitorem - muszą panować warunki anoksyczne, czyli bez tlenu, tylko z utlenionymi

formami azotu.

Defosfatacja

Równania skomplikowane i do końca jeszcze nie potwierdzone. Bakterie akumulujące

polifosforany należą do rodzaju Acetinobacter. W warunkach beztlenowych wykorzystują kwas

octowy (głównie), energię ze zmagazynowanych polifosforanów i protony z rozkładu

wewnątrzkomórkowych polisacharydów do produkcji zapasowego kwasu β-

polihydroksymasłowego (PHB). Proces ten prowadzi do uwalniania ortofosforanów do ścieków.

Potem w warunkach tlenowych materiał zapasowy PHB ulega rozkładowi, a energia z jego

rozkładu jest zużywana na biosyntezę komórek oraz akumulację polifosforanów. Aby wytworzyć

polifosforany bakterie pobierają fosforany ze ścieków.

Wymagania:

• naprzemienne warunki beztlenowe i tlenowe

• obecność łatwo przyswajalnych związków węgla w warunkach beztlenowych

• brak azotanów (szczególnie w warunkach beztlenowych)

• pH poniżej 8

Czynniki wpływające na efektywność usuwania biogenów ze ścieków

• skład ścieków dopływających;

• rozwiązania konstrukcyjne;

• parametry technologiczne;

• sposób eksploatacji obiektów.

Pełna denitryfikacja: Ncałk/BZT5 < 0,2

Pełna defosfatacja: 0,01 < Pog/BZT5 < 0,03

Sposoby zwiększania stężenia lotnych kwasów organicznych w ściekach:

• kierowanie do wspólnego oczyszczania ścieków bytowo-gospodarczych oraz zawierających

łatwo fermentujące substancje organiczne pochodzenia przemysłowego - spożywczego;

• regulację efektywności usuwania zawiesin w osadnikach wstępnych;

• stymulowanie procesów fermentacyjnych w osadniku wstępnym;

• wstępną fermentację osadów wstępnych i kierowanie wód nadosadowych do ścieków

(sedymentacja aktywacyjna);

• zmagazynowanie ścieków surowych w komorze o odpowiednio dużej objętości.

Schemat blokowy oczyszczalni z reaktorami o przepływie ciągłym, tłokowym

Reaktory okresowe typu SBR:

Reaktory okresowe umożliwiają przeprowadzenie procesu oczyszczania biologicznego wraz

z sedymentacją osadu w jednym zbiorniku.

W praktyce stosowane są w dwóch, równoległych liniach.

Cały czas trwania pracy reaktora jest podzielony na kilka faz:

napełniania;

mieszania/napowietrzania;

recyrkulacja

osad

OW OWt

Komora

osadu

C

[mgO2/dm3]

L

sedymentacji;

spustu (odprowadzanie oczyszczonych ścieków i w razie potrzeby nadmiaru osadu).

Schemat blokowy - usuwanie C i nitryfikacja

dopływ

ś i kó

odpływ

ścieków

Cykl

spust

napełnianie mieszanie

napowietrzanie

sedymentacja

recyrkulacja osadu

osad nadmierny

OW

N OWt

aerobowa

C

N-NH4

+

N-NOx

-

Nmin

Usuwanie C i N - system ND

Usuwanie C i N - system DN

recyrkulacja osadu

osad nadmierny

OW OWt

N

aerobow

D

anoksyczn

zewnętrzne C

recyrkulacja osadu

osad nadmierny

OW OWt

N

aerobowa

D

anoksyczn

C

N-NH4

+

N-NOx

-

Nmin

recyrkulacja wewnętrzna

Fazy defosfatacji:

Usuwanie C, N i P

Usuwanie C, N i P - system Phoredox

Gospodarka osadami ściekowymi

Skład osadów jest ważny z powodu wyboru sposobu stabilizacji, możliwości jego ostatecznego

unieszkodliwiania, podstawą do oceny prawidłowości przebiegu procesu stabilizacji oraz oceny

stabilności osadu. Skład uzależniony jest od rodzaju i ilości zanieczyszczeń usuwanych ze ścieków.

Gospodarka osadami ściekowymi obejmuje następujące procesy:

• wstępne zagęszczanie

OW OWt

C

NNNmi

recyrkulacja

osad

D

anoksyczn

N

aerobow

recyrkulacja

P

anareobow

P

N

OW OWt

C

NNNmi

recyrkulacja osadu

osad nadmierny

recyrkulacja wewnętrzna

P

P

D

N

D

• stabilizacja

• wtórne zagęszczanie i odwadnianie osadu ustabilizowanego

• higienizacja i końcowe unieszkodliwienie (zagospodarowanie).

Metody zagęszczania osadów

• samoistne (grawitacyjne) w osadnikach lub zagęszczaczach grawitacyjnych osadów

(przepływowe, porcjowe)

• flotacyjne (wynoszenie cząstek osadu za pomocą powietrza na powierzchnię zagęszczacza

• mechaniczne (filtracja lub wirowanie).

Metody odwadniania osadów

1. Naturalne

• poletka osadowe

• laguny osadowe

2. Mechaniczne

• wirówki (siły odśrodkowe)

• prasy filtracyjne

• prasy filtracyjno-taśmowe

• filtry próżniowe

• prasy śrubowe.

3. Termiczne

• suszarki rozpyłowe

• suszarki obrotowe

Metody stabilizacji osadów ściekowych:

1. Procesy biologiczne

• fermentacja metanowa

• stabilizacja tlenowa

• kompostowanie

2. Procesy chemiczne

• wapnowanie osadów

3. Procesy termiczne

• termokondycjonowanie

• mokre spalanie

• piroliza

• spalanie osadów

W czasie stabilizacji zmianie ulega zawartość wody, zawartość i właściwości ciał stałych (cząstek

osadu) oraz ilość rozpuszczonych gazów. Stabilizacja osadów umożliwia ich późniejsze bezpieczne

składowanie lub wykorzystanie. Giną patogeny, zmniejsza się zagniwalność osadu oraz zawartość

związków organicznych.

Stabilizacja tlenowa

Oparta jest na tlenowym rozkładzie masy organicznej w warunkach „głodu substratowego”, czyli

respiracji endogennej. Proces ten prowadzony jest w wydzielonych, otwartych lub zamkniętych

komorach z doprowadzeniem powietrza lub równolegle z oczyszczaniem ścieków w komorach

osadu czynnego w układzie z przedłużonym napowietrzaniem.

Podstawowe parametry technologiczne:

• zawartość tlenu rozpuszczonego

• pH

• temperatura

• szybkość zużycia tlenu

• wiek osadu

Wiek osadu wpływa na szybkość poboru tlenu przez osad oraz na stopień stabilizacji osadu. Na

utlenienie 1 g smo osadu potrzeba średnio 1,42 g tlenu. Termofilowa stabilizacja tlenowa powoduje

naturalne samoogrzanie osadu w warunkach tlenowych do temperatury 60-70°C (analogia do

kompostowania).

Kompostowanie

Kompostowaniu można poddawać osady surowe (mniej korzystne) lub osady ustabilizowane po

fermentacji lub tlenowej stabilizacji. Kompostowanie wymaga zawsze odwadniania osadów.

Kompostowanie zapewnia:

• stabilizację związków organicznych

• dezynfekcję naturalną (wysoka temperatura w czasie procesu)

• redukcję masy i uwodnienia osadów

• produkcję stabilnego produktu końcowego

Kompostowanie jest procesem biotechnologicznym, polegającym na rozkładzie substancji

organicznych w warunkach tlenowych pod wpływem drobnoustrojów termofilnych:

promieniowców, bakterii i pleśni. W trakcie kompostowania następuje mineralizacja związków

organicznych do dwutlenku węgla, amoniaku, azotanów, ortofosforanów, siarczanów i

rozpuszczalnych krzemianów.

Kompostowaniu poddaje się osady po zmieszaniu np. ze słomą lub trocinami, w których zawartość

ciał stałych waha się w granicach 40 - 50%. Wymagane jest osiągnięcie stosunku węgla

organicznego do azotu 26:1. W warunkach tlenowych mieszanina ogrzewa się samorzutnie do

temperatury od 50 do 70 stopni. Kompostowanie w warunkach beztlenowych jest uciążliwe

zapachowo, stąd nie jest polecane. Proces ten można prowadzić w układzie pryzmowym lub w

specjalnych reaktorach. W czasie eksploatacji kompostowni kontroli podlega:

• uwodnienie mieszaniny (min. 40%, max. 60%)

• stosunek węgla organicznego do azotu w mieszaninie (C/N - 20-32)

• temperatura w pryzmach (ok. 60°C i wyżej)

• intensywność napowietrzania (20-50 m3pow./h na tonę osadu)

• jakość wyprodukowanego kompostu (jeśli ma być potem wykorzystywany rolniczo).

Kompostowanie jest procesem długotrwałym. Sumaryczny czas kompostowania i dojrzewania

osadu w systemie pryzmowym wynosi do 6 miesięcy.

Fermentacja metanowa

Jest to proces wielofazowy, w którym w fazie I (hydrolizy) bakterie hydrolityczne za

pomocą enzymów zewnątrzkomórkowych rozkładają nierozpuszczalne związki organiczne

(celuloza, ligniny, białka tłuszcze) do związków rozpuszczalnych w wodzie, takich jak

kwasy tłuszczowe, alkohole, amoniak, itp.

W fazie II (kwaśnej) bakterie kwasowe rozkładają te związki rozpuszczalne do prostych

kwasów organicznych i dwutlenku węgla. Jest to tzw. fermentacja kwaśna.

Faza III (octanogeneza) to tworzenie kwasu octowego z prostych kwasów organicznych w

wyniku działalności bakterii octowych.

Metabolity faz I i II są substratem fazy IV (metanowej) dla bakterii metanowych, które je

wykorzystują do produkcji metanu, dwutlenku węgla i wody.

Symbioza mutualna

Bakterie octanogenne produkują wodór cząsteczkowy, który jest dla nich szkodliwy. Bakterie

metanogenne wykorzystują wodór jako substrat do produkcji metanu.

W zależności od temperatury fermentację dzielimy na:

• psychrofilową (temp. < 20°C)

• mezofilową (30 - 38°C)

• termofilową (45 - 58°C)

Podstawowymi wielkościami wpływającymi na przebieg procesu fermentacji są: kontrola ilości i

częstotliwości doprowadzania osadu surowego, intensywność mieszania, odczyn, zawartość

kwasów lotnych, zasadowość, temperatura, substancje toksyczne i produkcja gazu.

Temperatura jest istotnym parametrem procesu fermentacji. Zmiana o 10°C w ciągu doby

powoduje obumieranie bakterii metanowych (szok termiczny). Zmiany w dobrze funkcjonujących

komorach nie powinny przekraczać 2°C/dobę. Zarówno czas przebywania w komorze fermentacji,

częstotliwość doprowadzania osadu, jak i intensywność mieszania zawartości komory

fermentacyjnej zależą od temperatury. W fermentacji psychrofilowej dopuszcza się jedno- lub

kilkakrotne zasilanie w ciągu doby. Przy fermentacji mezofilowej można doprowadzać nie rzadziej

niż 6 razy w ciągu doby, zaś podczas fermentacji termofilowej częstotliwość zasilania osadem jest

wyższa.

Do mieszania osadu w komorach fermentacyjnych stosuje się: pompy wirowe, mieszacze

mechaniczne zewnętrzne lub wewnętrzne, sprężony gaz fermentacyjny.

W prawidłowo przebiegającej fermentacji odczyn cieczy nadosadowej jest obojętny i wynosi od 7

do 7,2, przy równoczesnej zawartości kwasów lotnych (wyrażona jako kwas octowy) od 100 do 500

mg/l i zasadowości nie mniejszej niż 500 mgCaCO3/l. Zawartość kwasów lotnych nie powinna

przekraczać wartości 2000 mg/l. Znaczne obniżenie pH oznacza załamanie procesu. Stosunek KL/Z

powinien byś stabilny, a przekroczenie wartości 0,3 wymaga neutralizacji osadu poprzez dodatek

soli lub zasad (np. Ca(OH)2, Na2CO3).

Substancje toksyczne, to przede wszystkim: siarczki, nadmiar kwasów lotnych, metale ciężkie,

amoniak i węglowodory.

Gaz fermentacyjny

Ilość i skład gazu zależy od rodzaju osadu i ilości związków organicznych, temperatury fermentacji

i czasu fermentacji. Zazwyczaj gaz fermentacyjny zawiera ok. 70% metanu i ok. 30% dwutlenku

węgla oraz od 1 do 2% siarkowodoru i śladowe ilości merkaptanów.

Wykorzystanie osadów ściekowych

Ustabilizowany i zhigienizowany osad, który spełnia szereg warunków wyszczególnionych w

Rozporządzeniu Ministra Środowiska z dnia 1 sierpnia 2002 r. w sprawie komunalnych

osadów ściekowych (Dz. U. 134, poz. 1140) można wykorzystać do celów nieprzemysłowych, w

tym do:

1. wprowadzenia osadów na grunty do rekultywacji na potrzeby rolnicze i nierolnicze,

2. stosowania w rolnictwie,

3. wprowadzania wraz z nasionami roślin na powierzchnie narażone na erozje, w szczególności na

skarpy składowisk odpadów, wykopów i nasypów ziemnych oraz składowiska odpadów

pylących, w celu roślinnego utrwalenia powierzchni gruntów,

4. do uprawy roślin przeznaczonych do produkcji kompostu, kompostowania osadów ściekowych.

Rozkład substancji organicznej w warunkach beztlenowych

Produkty:

95% CO2 + CH4

5% biomasa drobnoustrojów

Sekwencja przemian biochemicznych zachodzących w składowisku

Faza I ttllenowa - krótka, do wyczerpania tlenu zawartego w odpadach, mikroorganizmy tlenowe;

hydroliza biopolimerów; początek powstawani odcieków.

Faza II fermenttacjjii kwaśśnejj - rozkład związków organicznych do kwasów organicznych,

dwutlenku węgla i wodoru, mikroorganizmy beztlenowe; pH spada do wartości 4-5; niskie wartości

potencjału redox (niedużo powyżej 0); uwalnianie metali.

Faza III mettanowa niiesttabiillna - początek intensywnego uwalniania metanu i dwutlenku węgla; pH

rośnie do wartości 6-8; potencjał redox osiąga zdecydowanie ujemne wartości; wytrącanie metali.

Faza IV mettanowa sttabiillna - ustabilizowanie składu produktów przemian; szybkość produkcji

lotnych kwasów organicznych równa szybkości ich zużywania do produkcji biogazu;

wyczerpywanie związków biogennych; wytrącanie metali.

Faza V wyciiszeniia,, dojjrzewaniia - spadek wydajności metanu do zera, koniec aktywności

biologicznej; powstawanie związków humusowych.

Gaz wysypiskowy - biogaz

. Jest końcowym produktem biodegradacji odpadów organicznych w warunkach beztlenowych.

. Intensywność produkcji biogazu jest uzależniona od prawidłowego przebiegu procesów

biochemicznych.

. Kluczowe znaczenie mają skład i struktura przestrzenna odpadów.

. Wykorzystywany jest cennym źródłem energii.

. Migrujący do gleby lub ulatniający się do atmosfery stwarza zagrożenie wybuchem, uduszenia

ludzi i zwierząt lub blokowania dostępu do tlenu korzeni roślin.

. Należy do gazów `cieplarnianych'.

Skład biogazu

Metan 15 - 60 %

Dwutlenek węgla 10 - 40 %

Substraty

nierozpuszczone

(tłuszcze, białka,

węglowodany)

Substraty

nierozpuszczone

(tłuszcze, białka,

węglowodany)

Faza

hydrolizy

Faza

zakwaszania

Faza

octanogenna

Faza

metanogenna

Bakterie

hydrolityczne

Rozpuszczone

substraty

organiczne

(aminokwasy,

cukry,

wielkocząstecz

kowe kwasy

tłuszczowe)

Rozpuszczone

substraty

organiczne

(aminokwasy,

cukry,

wielkocząstecz

kowe kwasy

tłuszczowe)

Bakterie

produkujące

kwasy

Organiczne związki siarki

(tioproteiny, tioaminokwasy)

Organiczne związki siarki

(tioproteiny, tioaminokwasy)

Nieorganiczne tlenki siarki

(siarczany, siarczyny,

tiosiarczany, itd.)

Nieorganiczne tlenki siarki

(siarczany, siarczyny,

tiosiarczany, itd.)

Kwasy

organiczne

alkohole,

aldehydy,

itd.

Kwasy

organiczne

alkohole,

aldehydy,

itd.

Wodór,

dwutlenek

węgla

Wodór,

dwutlenek

węgla

Bakterie

octanowe

Octan Octan Bakterie

metanowe

Bakterie redukujące

siarczany (desulfurikanty)

Siarkowodór Siarkowodór

Metan,

dwutlenek

węgla

Metan,

dwutlenek

węgla

Azot 1 - 6 %

Tlen 1 - 8 %

Siarkowodór 1 %

Śladowe ilości łatwo lotnych związków chemicznych (silnie odoroczynnych) np. merkaptan

etylowy, aldehyd octowy, amoniak.

Zmiany składu biogazu w czasie

Odcieki

Wody opadowe penetrując w głąb złoża odpadów wzbogacają się w substancje wymywane z

odpadów oraz substancje organiczne i mineralne będące produktami pośrednimi procesów

biochemicznych (hydrolizaty).

Powstające w ten sposób odcieki są bardzo stężonymi ściekami, o składzie zmiennym w czasie.

Na podstawie obserwacji zmian podstawowych wskaźników chemicznych odcieków można

scharakteryzować proces stabilizowania się przemian w masie odpadów.

Główne czynniki wpływające na skład i ilość odcieków

• ilość wody infiltrującej do złoża odpadów;

• pojemność sorpcyjna odpadów;

• wilgotność odpadów;

• wiek wysypiska (faza rozkładu);

• stopień zagęszczenia odpadów.

Skład odcieków

Faza rozkładu

0

10

20

30

40

50

60

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Czas rozkładu

Obciążenie odcieków ładunkiem

znieczyszczeń

LKT

BZT5

Fe, Zn

pH

tlenowa beztlenowa

Fermentacja

kwaśna

Fermentacja

metanowa niestabilna

Fermentacja metanowa

stabilna

Wskaźniki zmieniające się z wiekiem składowiska

Wskaźnik Faza kwaśna Faza metanowa stabilna

Odczyn, pH 4,5 - 7,5 7,5 - 9

BZT5 [mg·dm-3] 4000 - 40000 20 - 550

ChZT [mg·dm-3] 6000 - 60000 500 - 4500

SO4

2- [mg·dm-3] 70 - 1750 10 - 420

BZT5/ChZT [ - ] 0,7 0,1 - 0,3

Przewodnictwo [mS·cm-1] 9,2 1,4

Wskaźniki niezależne od fazy rozkładu odpadów

Wskaźnik Wartość średnia Zakres

Cl [mg·dm-3] 2100 100 - 5000

NH4

+ [mg·dm-3] 750 30 - 3000

P całk. [mg·dm-3] 6 0,1 - 30

Cd [µg·dm-3] 6 0,5 - 140

Pb [µg·dm-3] 90 8 - 1020

Hg [µg·dm-3] 10 0,2 - 50

Odcieki a organizmy żywe

Do 4 miesięcy od chwili zdeponowania odpadów odcieki zawierają ogromne ilości bakterii

Escherichia coli i Streptococcus pochodzenia kałowego.

Ze względu na silny charakter redukcyjny odcieki mogą poważnie zaburzać ekosystemy wodne.

Efekt ten jest najsilniejszy dla najbardziej obciążonych odcieków - z fazy kwaśnej.

Kompostowanie odpadów

1. Kompostowanie w komorach zamkniętych wymaga przebywania odpadów tak długo,

dopóki nie nastąpi pełen proces biochemicznego i fizycznego ich przerobu i higienizacji -

zazwyczaj 7-10 dni. W tym systemie pracują kompostownie wieżowe firmy PEABODY,

kontenerowe firmy MUT-HERHOF, HORSTMANN-KNEER, tunelowe firmy SUTCOBIOFIX.

2. Kompostowanie w warunkach naturalnych może być prowadzone w sposób dynamiczny

lub statyczny.

• Proces dynamiczny przebiega w pryzmach na polu kompostowym w wyniku regularnego

przerzucania materiału (w celu zapewnienia dopływu tlenu i wilgoci). Czas kompostowania

trwa 6-12 tygodni w zależności od warunków klimatycznych.

• Proces statyczny polega na pozostawieniu masy kompostowej na płycie fermentacyjnej lub

w boksach roboczych, a zapewnienie właściwej ilości tlenu i wilgotności dokonuje się w

sposób wymuszony. Płyta, na której spoczywa masa kompostowa, ma kanały ssące, a

powietrze jest zasysane poprzez ułożoną warstwę materiału. W procesie tym rozróżnia się

fermentację intensywną, która trwa 20 dni, i fermentację wtórną - 60 dni.

3. Kompostowanie w układzie mieszanym polega na homogenizacji odpadów i

zainicjowaniu procesu kompostowania w biostabilizatorze lub mieszalniku bębnowym w

okresie 30 godz., a następnie dynamicznemu lub statycznemu kompostowaniu na polu

kompostowym przez okres 6-12 miesięcy. W tym systemie pracują kompostownie firmy

MUT-DANO bez wstępnego mechanicznego rozdrabniania - rozdrabnianie tzw. selektywne

następuje w biostabilizatorze poprzez oddziaływanie twardych części odpadów oraz

kompostownie ze wstępnym rozdrabnianiem - rozdrabniarki młotkowe - system

NEUCHOLD i VOEST-ALPINE.

4. Występują też inne eksperymentalne systemy kompostowania odpadów, np.:

• System BRIKOLLARE, polega na kompostowaniu wydzielonych odpadów organicznych

zmieszanych z osadami ściekowymi w postaci sprasowanych brykietów.

• System SOVADEC-NATURBA, gdzie kompostowanie przebiega przy udziale dżdżownic

kalifornijskich.

• System ORGANIC 90 - OBRUM Gliwice, mobilna linia technologiczna pracująca w cyklu

4-dniowym.

Beztlenowe metody unieszkodliwiania odpadów

1. Fermentacja metanowa `mokra' (10-15% sm)

. jednostopniowa (Wabio, BTA)

. wielostopniowa (Linde-KCA, BTA)

2. Fermentacja metanowa `sucha' (25 - 40% sm)

. pionowe o przepływie tłokowym (Dranco)

. poziome o przepływie tłokowym (Kompogas)

. idealnego wymieszania (Valorga)

. pryzmy energetyczne.

Porównanie różnych metod biodegradacji odpadów

Metoda tlenowa,

prosta technologia

Metoda tlenowa,

wyższy standard

techniczny

Metoda beztlenowa

Koszty eksploatacyjne

wraz z amortyzacją

Bardzo niskie 40-50

PLN/Mg

Niskie do średnich

600-100 PLN/Mg

Najczęściej wysokie

120-200 PLN/Mg

Nakłady

techniczne

Niskie,

ew. napowietrzana

płyta

Średnie, zadaszenie,

oczyszczanie powietrza

wymagające wyższych

nakładów

Wysokie

Nakłady

eksploatacyjne

Bardzo niskie,

przerzucanie pryzm,

zastosowanie

ładowarki

Średnie do wysokich,

załadunek

kontenerów/wież/tuneli

wymaga nakładu pracy

Wysokie,

skomplikowana

technika regulacyjna

Emisje do powietrza,

odcieki

Problem w fazie

dojrzewania

intensywnego,

odległość od

zabudowy min.300m,

lepiej 1000m,

zawracanie odcieków

do obiegu

Regulowane, biofiltry

do oczyszczania

powietrza, zawracanie

odcieków do obiegu

Nieduża objętość

powietrza, powietrze

jest oczyszczane, duża

ilość odcieków

Zapotrzebowanie

miejsca

Duże, ok. 5ha dla

obiektu

20 000 Mg/rok

Duże, ok. 4ha dla

obiektu

20 000 Mg/rok

Nieduże, przy

dojrzewaniu w

pryzmach ok. 2ha dla

obiektu 20 000 Mg/rok

Jakość

kompostu

Dobra, zależy od

wsadu

Dobra, zależy od wsaduCzęsto problematyczna

jakość wsadu, różna

jakość kompostu

Higienizacja Temperatura ponad

65oC, dobre efekty

higienizacji

Temperatura ponad

65oC, dobre efekty

higienizacji

Faza termofilna

wymaga

doprowadzenia energii

z zewnątrz, najczęściej

konieczne dojrzewanie

w pryzmach

Bilans

energetyczny

Produkowane ciepło

nie znajduje

zastosowania

Produkowane ciepło

nie znajduje

zastosowania

Uzysk metanu,

wykorzystanie w

elektrociepłowniach,

produkcja prądu

Biotechnologie dotyczące metali

Właściwości biochemiczne metali

Metale biorą udział w regulacji procesów biochemicznych, stabilizacji struktur komórkowych oraz

katalizie reakcji enzymatycznych.

Makroelementy

węgiel, wodór, tlen, azot, siarka, fosfor, sód, potas, magnez, wapń

Mikroelementy

żelazo, mangan, miedź, kobalt, nikiel, molibden, cynk, chrom, wanad

Wszystkie gatunki drobnoustrojów wykazują zdolność do usuwania metali z roztworów wodnych i

ich zagęszczania na powierzchni ścian komórkowych lub w obrębie błony cytoplazmatycznej.

Metale szczególnie niebezpieczne w środowisku

Cd, Cr, Cu, Hg, Ni, Pb i Zn

Toksyczny wpływ metali ciężkich na drobnoustroje polega na ich szkodliwym oddziaływaniu na

procesy metabolizmu komórkowego w wyniku zastępowania jonów właściwych metali w

enzymach i białkach, blokowaniu grup, np.: -SH, -COOH, -NH2, -NH w białkach enzymatycznych,

wywoływaniu zmian konformacyjnych w polimerach komórkowych; oddziaływaniu na błony

komórkowe i procesy transportu, a w konsekwencji hamowanie czynności fizjologicznych i

szybkości wzrostu drobnoustrojów. Oddziaływanie metali na DNA i RNA może prowadzić do

mutacji, a nawet kancerogenezy. Również te metale, które w małych stężeniach stymulują wzrost

drobnoustrojów, stają się toksyczne (bakteriostatyczne lub bakteriobójcze), jeżeli ich stężenie w

środowisku przekroczy określony poziom.

Czynniki wpływające na zdolność wiązania metali przez drobnoustroje

Ilość metalu pobieranego przez drobnoustroje zależy od:

• rodzaju metalu

• stopnia utlenienia

• wielkości promienia atomu

• liczby koordynacyjnej

• zdolności do wiązania przez ligandy organiczne

W wiązaniu metali przez drobnoustroje główną rolę odgrywają procesy wymiany jonowej i

tworzenie kompleksów w układzie donor-akceptor elektronów:

• w wymianie jonowej biorą udział grupy funkcyjne polimerów i makrocząsteczek

komórkowych, a w szczególności karboksylowa i fosforanowa,

• związki organiczne zawierające atomy z wolną parą elektroonową uczestniczą

w powstawaniu kompleksów. W polimerach komórkowych wiązania koordynacyjne tworzą

atomy tlenu, azotu i siarki: :O=C., ::N., i ::S=.

Białka - wiążą metale głownie wskutek tworzenia związków kompleksowych. Ujemnie

naładowane grupy karboksylowa i hydroksylowa, a także grupa aminowa mająca wolną parę

elektronów tworzą łatwo kompleksy z elektrododatnimi metalami.

Kwasy nukleinowe - są polimerami o dużym ładunku ujemnym (każda grupa fosforanowa jest

ujemnie naładowana). Metale są wiązane silniej przez reszty fosforanowe (wymiana jonowa) i

zasady, słabiej przez grupy funkcyjne występujące w reszcie cukrowej.

Polisacharydy - mukoproteiny (kompleksy białek i mukoplisacharydów) zawierają reszty kwasu

siarkowego, co umożliwia adsorpcję jonowymienną metali.

Metody biotechnologiczne są wykorzystywane do:

usuwania/odzyskiwania metali ze ścieków przemysłowych,

przerobu rud metodami biologicznymi,

mikrobiologicznego ługowania metali z odpadów przemysłowych i osadów ściekowych.

Metale mogą być usuwane ze ścieków wskutek wielu procesów zachodzących z udziałem

drobnoustrojów, w tym:

• adsorpcji w wyniku oddziaływań między metalem a grupami reaktywnymi polimerów i

makrocząsteczek, z których zbudowane są osłony komórkowe drobnoustrojów,

• reakcji chemicznych z wydzielonymi metabolitami, prowadzących do wytrącania

nierozpuszczalnych osadów (najczęściej siarczków, węglanów, fosforanów oraz

szczawianów);

• transportu przez błony komórkowe i wewnątrzkomórkowej kumulacji metali;

• wytwarzania nierozpuszczalnych bądź lotnych związków w wyniku utlenienia, redukcji

metali lub tworzenia połączeń metaloorganicznych.

Biokumulacja i wewnątrzkomórkowe wytrącanie metali

1. Obecność metali ciężkich indukuje u drobnoustrojów syntezę specyficznych białek -

metalotionein. Białka te zawierają duży udział cysteiny - do 30% (aminokwasu zawierającego

atom siarki). Po związaniu z metalotioneiną metal nie może już się wiązać z innymi ważnymi

dla funkcjonowania komórki białkami.

2. W glonach i roślinach wyższych indukowana jest produkcja fitochelatyn, które mają zadanie

podobne do metalotionein.

3. Metale mogą być również akumulowane w postaci granul polifosforanowych.

4. U drożdży metale są kumulowane w postaci niskocząsteczkowych polifosforanów w wakuolach

lub w postaci ziaren.

Usuwanie metali poprzez reakcję z metabolitami

1. Zmiana odczynu (pH)

Zmiana odczynu wywołuje przesunięcie równowagi chemicznej między formami metali

występującymi w roztworze, co wpływa na powinowactwo adsorpcyjne metalu do grup

funkcyjnych biopolimerów występujących w otoczkach i ścianach komórkowych drobnoustrojów.

W środowisku alkalicznym zazwyczaj tworzą się słabo rozpuszczalne hydrokompleksy metali i

wodorotlenki, w kwaśnym zaś dominują formy rozpuszczalne, w których metal występuje w postaci

jonowej.

Przykładowo bakterie z rodzajów Citrobacter i Pseudomonas hodowane na pożywkach

organicznych wywołują podwyższenie pH.

2. Produkcja siarczków

Bakterie redukujące siarczany powodują powstawanie siarkowodoru, który reaguje z metalami

tworząc nierozpuszczalne siarczki.

S2- + Men+> MeSn/2

3. Wydzielanie jonów HPO4

2-

Bakterie z rodzaju Citrobacter hodowane na podłożach zawierających 2-fosfoglicerol lub inne

fosforany organiczne wytwarzają specyficzny enzym - fosfatazę kwaśną. Jest to egzoenzym, który

katalizuje hydrolizę substratu fosforowego, uwalniając jony HPO4

2-. Jony te reagują z metalami

tworząc nierozpuszczalne MeHPO4, które są deponowane w obrębie ścian komórkowych.

Biotransformacja metali

Przemiany enzymatyczne w transformacjach metali to procesy utleniania, redukcji, metylacji,

demetylacji prowadzące do zmiany stopnia utlenienia, a często i do detoksykacji środowiska.

Sztandarowym przykładem biotransformacji jest biotransformacja rtęci.

Biosorpcja

Biosorpcja, to zagęszczanie metali na powierzchni komórek.

Niemniej jednak wg Tsezosa na biosorpcję składają się następujące procesy:

• zatrzymywanie nierozpuszczalnych związków metali w obrębie osłon komórkowych,

stymulowane na przykład ruchem rzęsek i wici wymuszających przepływ cieczy względem

drobnoustrojów;

• transport metali przez błony komórkowe umożliwiający następnie ich gromadzenie w

komórce;

• adsorpcję jonowymienną;

• adsorpcję fizyczną.

Usuwanie metali metodą biosorpcji składa się z następujących procesów jednostkowych:

• zagęszczanie metali na powierzchni drobnoustrojów (biosorpcja),

• regeneracja biomasy (desorpcja),

• usuwanie (odzyskiwanie) metali z powstających odcieków.

Stosowane biosorbenty:

• biomasa drobnoustrojów stanowiąca odpad z przemysłu fermentacyjnego i

farmaceutycznego lub procesów oczyszczania ścieków;

• drobnoustroje hodowane i namnażane na specjalnych podłożach, wykazujące zdolność do

efektywnego wiązania metali;

• biopreparaty na przykład AMT-BIOCLAIM;

• sorbenty pochodzenia roślinnego lub zwierzęcego, m.in. korę bogatą w taniny, rośliny

morskie, humus, torf mszysty, modyfikowaną bawełnę i wełnę, chitynę, chitozan oraz

alginian.

Biosorpcja jest procesem bardzo szybkim - 85-90% usunięcie metalu osiąga się w czasie 10-15

minut. Wykorzystywana może być martwa lub żywa biomasa. Immobilizacja (unieruchomienie)

biomasy zapewnia możliwość jej wielokrotnego użycia.

Mikrobiologiczne ługowanie metali

Polega na wykorzystywaniu zdolności niektórych kwasolubnych bakterii utleniających siarkę i/lub

żelazo do przeprowadzenia nierozpuszczalnych siarczków metali w rozpuszczalne siarczany.

Bakterie uczestniczące w utlenianiu mineralnych związków siarki:

Chemolitotrofy obligatoryjne (największe znaczenie) - Thiobacillus thiooxidans (utlenia

elementarną siarkę, siarczki i siarczany), Thiobacillus ferrooxidans (utlenia związki siarki i żelaza);

Chemolitotrofy fakultatywne (zdolne do wykorzystywania organicznych i nieorganicznych

związków siarki) - Thiobacillus novellus, Thiobacillus versutus.

Chemolitoheterotrofy (zdolne do wzrostu na podłożach zawierających związki organiczne) -

Beggiatoa sp, Thiothrix sp.

W praktyce (w procesach biohydrometalurgicznych) stosuje się mieszaniny różnych gatunków

bakterii. Ługowanie metali z rud jest złożone i jest skutkiem wielu reakcji enzymatycznych,

chemicznych oraz elektrochemicznych.

Pierwszym etapem działania bakterii jest ich adhezja w sieci krystalicznej minerałów - głównie w

miejscach, w których występuje siarka elementarna. Siarka jest rozpuszczana w lipidach i

fosfolipidach błony komórkowej, a następnie utleniana do kwasu siarkowego. Tworzący się kwas

siarkowy (silny utleniacz) stymuluje procesy chemiczne i elektrochemiczne.

Mechanizm pozyskiwania takich metali jak Cu, Zn i Ni polega na biotycznym utlenianiu Fe(II) do

Fe(III) (Thiobacillus ferrooxidans), a następnie na abiotycznym (chemicznym) utlenianiu siarczków

tych metali (nierozpuszczalnych) do ich siarczanów (rozpuszczalnych) i siarki elementarnej przez

Fe(III) wytworzone przez Thiobacillus ferrooxidans.

Metody ługowania metali z ubogich rud siarczkowych

Bioługowanie wymaga niewielkich nakładów energetycznych i jest uznawane za bezpieczne dla

środowiska. Konieczne jest jednak sprawdzenie, czy warunki hydrogeologiczne w danym terenie

umożliwiają stosowanie tej metody bez ryzyka zanieczyszczenia wód gruntowych.

W usypanych stosach.

Stosy u góry są formowane w taki sposób, aby można było wpompowywać:

• zakwaszoną wodę (pH 1,5 - 3) w przypadku tlenkowych lub siarczkowych rud zawierających

siarczki żelaza;

• siarczan żelaza (II).

Plus ewentualnie pożywkę mineralną zawierającą azot, fosfor i magnez (najważniejsze

makroelementy). Pożywka przyspiesza rozwój bakterii, które adsorbują się na cząsteczkach

minerału i rosną w postaci błony biologicznej. Bakterie potrzebują też tlenu i dwutlenku węgla.

Niekiedy stosowane jest natlenianie stosu.

Ługowaniu w stosach poddaje się skały zawierające poniżej 0,4% odzyskiwanego materiału. Masa

stosu ok. 109 ton. Czas reakcji jest rzędu kilku lat.

W zwałach

Skała najczęściej jest kruszona na fragmenty o średnicy od 20 do 25 mm. Zwały są lokalizowane w

terenie o odpowiednim spadku, co umożliwia swobodny przepływ wody. Wysokość zwału

zazwyczaj nie przekracza 2,3 m., masa jest ok. 1000 krotnie mniejsza niż w stosach, a zawartość

odzyskiwanego metalu wyższa. Czas ługowania jest znacznie krótszy - rzędu kilku miesięcy.

Ługowanie w nieczynnej kopalni (in situ).

Kopalnie są zatapiane na okres 3,4 miesięcy. Po tym czasie roztwór odpompowuje się i poddaje

odzyskowi metalu.

Odwierty w złożu (in situ).

Biodegradacja ropopochodnych

Ksenobiotyki:

Substancje pochodzenia antropogenicznego, których struktura chemiczna nie jest w zasadzie

rozpoznawana przez istniejące w naturze enzymy degradacyjne, bądź zostały one wydalone do

środowiska w nienaturalnie wysokich stężeniach, a zatem ulegają akumulacji w środowisku

naturalnym.

Przykładami ksenobiotyków mogą być licznie stosowane pestycydy, insektycydy,

polichlorowane bifenyle (PCB), wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (WWA),

niektóre syntetyczne barwniki i detergenty,

Procesy pogłębionego utleniania:

Działanie synergistyczne utleniaczy w kombinacjach:

Ż O3/UV

Ż H2O2/O3

Ż H2O2/UV

Ż H2O2/O3/UV

Ż H2O2/Fe2+ - reakcja Fentona

Ż H2O2/Fe2+/UV - fotoreakcja Fentona

Ż UV/TiO2 - półprzewodnikowa kataliza

W procesach pogłębionego utleniania powstają rodniki hydroksylowe o wysokim potencjale

utleniającym.

Nazwa

utleniacza

Wzór

chemiczny

Potencjał utleniania E

[V]

fluor F2 3,03

rodnik hydroksylowy OH• 2,80

atom tlenu O 2,42

ozon O3 2,07

nadtlenek wodoru H2O2 1,77

Efekt zastosowania metod pogłębionego utleniania:

Wzbudzenie energetyczne substratów (wzrost reaktywności);

fragmentacja dużych cząsteczek;

wzrost polarności produktu, możliwa zmiana charakteru z hydrofobowego na hydrofilowy;

wzrost biodostępności przez zwiększenie rozpuszczalności;

podniesienie biodegradowalnosci.

Charakterystyka ropy naftowej

Ropa naftowa zawiera węglowodory, związki heteroorganiczne i nieorganiczne. Wśród

węglowodorów wyróżnia się parafiny, nafteny, aromatyczne i olefiny. Związki organiczne

zawierają głównie siarkę, azot i tlen. Składniki siarkowe, to siarczki, siarkowodór, merkaptany,

tiofeny, a azotowe to pirydyna, amidy, pirol i ich pochodne. Związki tlenowe, to kwasy

karboksylowe, benzofurany, ketony, fenole, etery i estry. Ilości poszczególnych związków różnią

się zależnie od frakcji ropy naftowej uzyskanych w trakcie jej przeróbki.

Mechanizmy biodegradacji węglowodorów w warunkach tlenowych

n-Alkany

Najczęściej alkany ulegają hydroksylacji przy końcowym węgla w łańcuchu z wytworzeniem

odpowiedniego alkoholu.

R-CH2CH3 + O2 + H+ > R-CH2CH2OH + H2O

Powstające alkohole są dalej utleniane do kwasów karboksylowych, które z kolei podlegają

naturalnym procesom rozkładu kwasów tłuszczowych (β-oksydacji).

R-CH2CH2OH > R-CH2CHO > R-CH2COOH > ί-oksydacja

Alkany rozgałęzione

Alkany rozgałęzione są rozkładane wolniej niż ich odpowiedniki o łańcuchach prostych.

Degradacja alkanów rozgałęzionych jest hamowana w obecności alkanów prostych. Mechanizm ich

biodegradacji jest bardzo podobny. Czynnikiem utrudniającym jest konieczność pocięcia” tych

alkanów w miejscach rozgałęzień.

Cykloalkany

Biodegradacja cykloalkanów najczęściej przebiega w obecności konsorcjum drobnoustrojów w

drodze kometabolizmu (czyli w obecności drugiego związku jako źródła węgla i energii).

Degradacja cykloalkanów również polega na utlenianiu jednego z atomów węgla, aż do

odpowiedniego ketonu. Następnie odpowiednia hydrolaza otwiera pierścień i powstaje odpowiedni

kwas organiczny.

Węglowodory aromatyczne

Tlenowa biodegradacja węglowodorów aromatycznych zachodzi poprzez wprowadzenie dwóch

atomów tlenu do cząsteczki z udziałem enzymów oksygenaz, a następnie przez dehydrogenację, w

wyniku której powstają pochodne dihydroksylowe (katechole). Dalsze utlenienie powoduje rozpad

pierścienia aromatycznego - możliwe są dwie pozycje utlenienia, powstają dwa różne produkty -

kwas dikarboksylowy bądź semialdehyd kwasu dikarboksylowego. Pochodne metylowe mogą

ulegać biodegradacji wskutek jednoczesnego utlenienia grupy metylowej do karboksylowej i

pierścienia aromatycznego do katecholu. Wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (WWA)

są metabolizowane podobnie jak jednopierścieniowe (większa liczba możliwych produktów), przy

czym są oporne na biodegradację, a ich oporność wzrasta wraz z liczbą pierścieni. Rozkład WWA

najczęściej wymaga stosowania konsorcjum drobnoustrojów i różnych związków organicznych

(kometabolizm).

Wiele drobnoustrojów zdolnych jest do rozkładu węglowodorów:

• bakterie z rodzajów Pseudomonas, Micrococcus, Alcaligenes, Aeromonas, Flavobacterium,

Vibrio, Acinteobacter, Mycobacterium, Bacillus, Athrobacter

• grzyby z rodzajów Candida, Saccharomyces, Fusarium, Penicilium, Aspergillus, Rhizopus,

Geotrichum

• cyjanobakterie i glony z rodzajów Oscillatoria, Anabaena, Nostoc, Chlorella, Chlamydomonas,

Scenedesmus, Phormidium

Pobieranie węglowodorów przez komórki drobnoustrojów może zachodzić w drodze:

• wprowadzania mikrokropli o wymiarach mniejszych niż wielkość komórki,

• transportu makrokropel,

• pobierania składników rozpuszczonych lub wolnych, przy czym w wodzie ulega rozpuszczeniu

niewielka ilość węglowodorów charakteryzujących się małym ciężarem cząsteczkowym.

Wprowadzenie mikrokropli do komórek drobnoustrojów jest możliwe dzięki wytwarzaniu

substancji powierzchniowo czynnych (SPC), które emulgują cząsteczki węglowodorów (zwiększają

powierzchnię wymiany), przez co ułatwiają przenikanie tych związków przez błonę komórkową.

Dodatkowo SPC umożliwia adhezję komórek do substratów hydrofobowych.

Związki niepolarne (do których zaliczamy węglowodory) przenikają przez błonę cytoplazmatyczną

komórki, głównie w drodze dyfuzji.

Węglowodory mają również działanie toksyczne w stosunku do drobnoustrojów. Są

odpowiedzialne za zmiany w strukturze i funkcjach błony komórkowej: zmiany jej integralności,

wzrost przepuszczalności dla jonów i protonów oraz zakłócenia czynności wywołane

„wyłączeniem” pewnych partii lipidów i białek komórkowych.

Metody oczyszczania gruntów z ropopochodnych

Bioremediacja gruntów może być prowadzona metodami in situ albo ex situ.

Stosowane są drobnoustroje:

• autochtoniczne, których aktywność reguluje się zabiegami technicznymi, jak

napowietrzanie, dodatek soli biogennych, nawilżanie;

• wyizolowane z gruntu i wprowadzone ponownie w dużej biomasie do skażonego gruntu

jako komórki wolne lub immobilizowane na nośnikach stałych;

• przygotowane w postaci biopreparatów bakteryjnych lub enzymatycznych.

Czynniki wpływające na szybkość i efektywność bioremediacji:

• budowa chemiczna i właściwości węglowodorów;

• stężenie węglowodorów i ich toksyczność w stosunku do drobnoustrojów (przyjmuje się, że

ilość zanieczyszczeń może wynosić maks. 5%);

• zawartość tlenu (powinno być 4mgO2/mg paliwa);

• wilgotność (powinno być ok. 80% polowej pojemności wodnej);

• odczyn (6-8);

• temperatura (20-30°C);

• zawartość związków biogennych, w tym azotu i fosforu (węglowodory nie zawierają N i P.;

najczęściej niezbędne jest ich dodawanie do gruntu, np. w postaci nawozów sztucznych);

• ilość i jakość drobnoustrojów (zawartość bakterii aktywnych w usuwaniu węglowodorów

powinna być powyżej 105/gsm gruntu);

• obecność innych niż węglowodory źródeł węgla i energii dla drobnoustrojów oraz procesy

sorpcji (obecność łatwo przyswajalnych związków organicznych utrudnia biodegradację

ropopochodnych).

Metody in situ

• uprawa gleby (landfarming)

Stosowana jest w przypadku skażeń gleby do głębokości 50 cm. Uprawa polega na okresowym

oraniu i bronowaniu, w celu doprowadzenia tlenu do warstwy ziemi, a także na zraszaniu wodą, by

utrzymać właściwą wilgotność gruntu. Celem przyspieszenia rozkładu ropopochodnych wprowadza

się płynne hodowle bakterii aktywnych w biodegradacji ropopochodnych.

uprawa w obecności roślin

Zanieczyszczoną glebę obsadza się roślinnością, nawozi, zapewnia wilgotność, zbiera plon. System

korzeniowy roślin naturalnie zapewnia napowietrzenie gruntu. Dodatkowo rośliny mają zdolność

kumulowania węglowodorów w swoich tkankach (fitoremediacja). Skażonego plonu nie można

wykorzystywać do celów paszowych.

• bioekstrakcja

Stosowana do głębokich zanieczyszczeń w gruncie o dobrej przepuszczalności. Grunt jest płukany

roztworem zawierającym hodowle bakterii aktywnych i związki biogenne. Recyrkulowaną wodę

odprowadza się okresowo do kanalizacji lub bioreaktora.

• biowentylacja

Polega na wprowadzaniu powietrza do gruntu, co ułatwia parowanie i wydmuchiwanie lotnych

frakcji węglowodorów oraz przyspiesza procesy tlenowego rozkładu zanieczyszczeń. Przepływ

powietrza odbywa się w sposób wymuszony podciśnieniowo lub nadciśnieniowo. Może być

wspomagana bioekstrakcją.

Metody ex situ

• uprawa gleby

Gleba jest układana na geomembranie, która izoluje skażoną glebę od podłoża. Warstwa izolująca

musi być wyposażona w system umożliwiający zbieranie odcieków. Dalej postępuje się podobnie

jak w uprawie gleby in situ.

• pryzmowanie (zbliżone do procesu kompostowania)

Glebę formuje się w pryzmy o wysokości 1-2 m. i szerokości 5-8 m., ułożone na geomembranie lub

na drenażu pozwalającym napowietrzać złoże i zbierać odcieki. Do warstwy wsiewa się

drobnoustroje wraz z wodą i biogenami.

Biologiczne oczyszczanie gazów

Zalety

brak produktów odpadowych;

niskie koszty eksploatacyjne.

Wydajność zależy głównie od:

struktury chemicznej związków organicznych;

stężenia związków organicznych;

rozpuszczalności związków w wodzie;

adaptacji mikroorganizmów do rozkładu obecnych w gazach substancji;

warunków technicznych procesu.

Zastosowania:

usuwanie organicznych związków (np. węglowodory);

usuwanie związków odoroczynnych (np. H2S).

Konkretne przykłady:

Oczyszczanie gazu z formaldehydu w przemyśle drzewnym;

Oczyszczanie gazu ze związków aromatycznych w przemyśle meblarskim;

Neutralizacja odorów i usuwanie H2S w oczyszczalni ścieków;

Oczyszczanie gazu przy oczyszczaniu wód gruntowych i gruntu zanieczyszczonych frakcją

BTK.

Urządzenia do biologicznego oczyszczania gazów

Biofiltr

Materiał stały, o odpowiedniej porowatości, jest zasiedlony przez drobnoustroje. Przez

warstwę materiału jest przepuszczany gaz, który wymaga oczyszczenia. Biofiltry stanowić

mogą warstwy materiałów naturalnych: ziemia, kompost, torf, kora, liście drzew a także

tworzywa sztuczne i syntetyczne.

Biopłuczka

Zanieczyszczenia zawarte w gazie są absorbowane w fazie ciekłej, a następnie degradowane

przez drobnoustroje. Stosowane są dwa rozwiązania praktyczne: osobne kolumny

absorpcyjne albo absorpcja i biodegradacja w jednym aparacie.

Efektywność biofiltrów

85% redukcji uciążliwości zapachowej;

90% redukcji H2S;

60% redukcji NH3.

Kluczowe parametry:

czas przepływu gazu przez złoże;

wilgotność złoża.

Usuwane

zanieczyszczenia

Stosowane drobnoustroje

Aceton Zaadaptowany osad czynnya

Benzen Osad czynny oraz Pseudomonas putida

Butanol Pseudomonas fluorescens, Rhodococcus sp.,

Corynebacterium rubrum, Micrococcus luteus,

Arthrobacter sp.b

1,2 dichloroetan Methylosinus trichisporumb

Heksan Zaadaptowany osad czynnya

Siarkowodór Thiobacillus sp.

Me2S, Me2S2 Namnożone drobnoustroje glebowea

Metan Methylomonas fodinarumb

Fenol Pseudomonas putidac

2-propanol Zaadaptowany osad czynnya

Aldehyd

propionowy

Pseudomonas fluorescens, Rhodococcus sp.,

Corynebacterium rubrum, Micrococcus luteusb

Toluen Zaadaptowany osad czynnya, mieszane kultury bakterii oraz

grzybów

Trichlorometan Osad czynny oraz Pseudomonas putidaa

Trietyloamina Zaadaptowany osad czynnya

Dane operacyjne biofiltrów i biopłuczek

Biofiltr Biopłuczka

obciążenie powierzchni 50 -300

m3/m2h

szybkość przepływu

gazu

1 m/s

czas zatrzymania 50 - 90 s czas zatrzymania 3 - 4 s

porowatość nośnika > 80% stosunek ciecz/gaz 2-5 dm3/m3

smo > 55% biomasa w komorze

napowietrzania

3 - 8 kg/m3

odczyn nośnika 7 - 8 pH fazy wodnej 5 - 8

stężenie

zanieczyszczeń

< 1gCorg/m3 stężenie

zanieczyszczeń

< 0,5

gCorg/m3

ładunek objętościowy < 50 000

m3/h

ładunek objętościowy < 100 000

m3/h

wydajność

biodegradacji

90 - 99% wydajność

biodegradacji

90 - 99%

Toksyczność

Do efektów toksykologicznych zaliczane są:

• toksyczność;

• mutagenność;

• rakotwórczość;

• teratogenność (powodowanie wad rozwojowych płodu);

• wywoływanie alergii;

• zaburzenia wchłaniania innych substancji.

Tokysczność wynika z:

• oddziaływania toksyny z receptorami komórkowymi;

• przerwania funkcji membrany komórkowej;

• reakcji chemicznych z elementami składowymi komórki;

• hamowania/współzawodnictwa systemów enzymatycznych komórki.

Badania ekotoksykologiczne zanieczyszczeń służą do:

¦ atestacji związków chemicznych i wyrobów handlowych,

¦ wyznaczania dopuszczalnych ładunków ścieków odprowadzanych do wód oraz do wyznaczania

bezpiecznych stężeń poszczególnych związków chemicznych dla organizmów wodnych,

¦ określenia nowych (lub do zmiany istniejących) wskaźników jakości wód powierzchniowych,

¦ oceny jakości wody przeznaczonej do picia i na potrzeby gospodarcze,

¦ wyboru sposobów chemicznego podczyszczania ścieków odprowadzanych do kanalizacji

miejskiej,

¦ oceny przebiegu procesów oczyszczania ścieków w oczyszczalniach biologicznych.

Badania ekotoksykologiczne moga stanowić podstawę do rozwiązania następujących problemów:

¦ ocena ryzyka, czyli prawdopodobieństwo wystąpienia negatywnego oddziaływania danego

czynnika na żywy organizm;

¦ określenie jak wysoka jest jego toksyczność, poprzez wyznaczenie dawki wywołującej efekt

toksyczny;

¦ próba wykrycia odległych skutków ekspozycji organizmu na czynniki toksyczne, takie jak np.

mutageny, kancerogeny, czy też związki wykazujące właściwości teratogenne i/lub

embriotoksyczne.

LC50 (lethal concentration) - stężenie toksykanta powodujące śmierć (unieruchomienie) 50%

osobników badanej populacji w odniesieniu do czasu trwania ekspozycji.

EC50 (effective concentration) - stężenie toksykanta powodujące 50% zahamowanie określonego

procesu fizjologicznego u organizmów testowych w odniesieniu do czasu trwania eksperymentu.

NOEL lub NOEC - najwyższa dawka lub stężenie substancji, przy którym nie obserwuje się

niekorzystnego efektu jej działania (ang. No Observed Effect Level/Concentration).

LOEL lub LOEC - najniższa dawka lub stężenie, przy którym zaobserwowano pierwsze,

niekorzystne zmiany (ang. Lowest Observed Effect Level/Concentration).

NOAEL - najwyższa dawka lub stężenie substancji, przy której w trakcie prowadzenia badań nie

jest wykrywalna szkodliwa zmiana (ang. No Observed Adverse Effect Level).

LOAEL - najniższa dawka lub stężenie substancji, przy której w trakcie przeprowadzanych badań

zauważa się szkodliwą zmianę (ang. Lowest Observed Adverse Effect Level).

Rodzaje toksykologicznych badań testowych

1. Testy przeżywalności - polegają na oznaczeniu toksyczności ostrej, letalnej z zastosowaniem

wybranych przedstawicieli organizmów wodnych na podstawie wartości LC50 po określonym

czasie ekspozycji.

2. Testy przeżywalności typu Toxkit z użyciem młodocianych form bezkręgowców wodnych; w

badaniach wykorzystuje się larwy wrotków i skorupiaków bezpośrednio uzyskane z tzw. jaj

spoczynkowych (cyst), a jako wynik pomiaru podaje się wartości LC(EC)50 po określonym

czasie ekspozycji.

3. Testy wzrostowe - dotyczą oceny hamowania wzrostu bakterii, grzybów, glonów w obecności

toksykantów; wynik pomiaru stanowi wartość EC50.

4. Testy enzymatyczne - polegają na określeniu stopnia hamowania aktywności jednego enzymu

lub grupy enzymów katalizujących badaną relację biochemiczną u wybranych bioindykatorów;

jako wynik pomiaru podaje się wartość EC50.

5. Testy genotoksyczności - dotyczą zmian w genomie komórek (mutacji), powstających wskutek

nieprawidłowego parowania się zasad azotowych i ich modyfikacji w DNA. Jako wynik

pomiaru podaje się wartość współczynnika indukcji IR (IR>1,5 świadczy o genotoksyczności

związku chemicznego) oraz wartości EC50.

Testy toksyczności można podzielić dodatkowo na:

¦ ostre (trwające do 96h)

¦ chroniczne (długotrwałe) - ocenia się aktywność pokarmową i rorodczą oraz zmiany w

tkankach i organach wywołane długim czasem ekspozycji organizmów w roztworach

toksykantów.

Podstawową zasadą badań ekotoksykologicznych jest zastosowanie organizmów reprezentujących

ogniwa łańcucha pokarmowego w ekosystemie, to jest producentów, konsumentów i destruentów.

Celem miarodajnego oszacowania toksyczności danej próbki ścieków bądź związku należy

zastosować baterię testów, a nie test na jednym tylko organizmie.

Najczęściej w testach wykorzystuje się:

¦ bakterie z rodzajów: Pseudomonas, Escherichia, Salmonella, Bacillus, Vibrio;

¦ grzyby z rodzajów: Candida, Saccharomyces, Penicillium, Aspergillus;

¦ glony z rodzajów: Chlorella, Scendesmus, Selenastrum;

¦ pierwotniaki z rodzajów: Spirostomum, Vorticella, Paramaecium;

¦ wrotki z rodzaju Brachionus;

¦ skorupiaki z rodzajów: Daphnia, Ceriodaphnia, Gammarus, Thamnocephalus, Artemia, Mysis,

Asellus, Hyalella;

¦ owady z rodzajów: Ephemerella, Hydropsyche, Chironomus;

¦ mięczaki: Physa acuta, Planorbarius corneus, Dreissena polymorpha;

¦ ryby: Lebistes reticulatus, Brachydanio rerio oraz ok. 150 innych gatunków.

Testy genotoksyczności

Mutacje można podzielić na trzy grupy:

¦ genowe, w których podstawowa sekwencja w genie jest zmieniona przez zastąpienie jednego

nukleotydu innym (mutacja punktoa) bądź wstawienie lub utratę odcinka DNA (insercja i

delecja);

¦ chromosomowe, w których ulega zmianie struktura chromosomu poprzez utratę jego fragmentu

(delecja), przeniesienie fragmentu (transolkacja) lub jego odwrócenie (inwersja);

¦ genomowe, w których zmienia się całkowita ilość DNA wskutek zakłócenia podziałów

komórkowych.

Test Mutatox

Wykorzystuje się mutanty Vibrio fisheri (Photobacterium phosphoreum) niezdolne do

bioluminescencji; pod wpływem związków o charakterze genotoksycznym następuje aktywacja

świecenia u tych drobnoustrojów.

Okres czasowy Tendencje rozwojowe Procesy Produkty

przed 1865

Pasteurem

Tradycyjne wykorzystanie

procesów biotechnologicznych

do produkcji środków

spożywczych

Fermentacja

alkoholowa

Fermentacja mlekolowa

Fermentacja octowa

Wino, piwo, sery, chleb,

jogurt, ocet

1865 -

1940

Pasteur

Procesy biotechnologiczne bez

całkowitego wykluczenia

infekcji obcych

miroorganizmów

Fermentacja -

procesy

powierzchniowe

Aerobowe oczyszczanie

scieków

Produkcja biomasy

butanol, aceton, etanol,

kwas cytrynowy, drożdże

piekarskie, paszowe

1940 -

1960

era antybiotyków

Procesy biotechnologiczne

z

wykluczeniem obcych infekcji

z

wyselekcjonowanymi

szczepami

Technika sterylna

Procesy wgłębne

Kultury tkankowe

Penicylina i

inne

antybiotyki, szczepionki

antywirusowe, sterydy,

witamina B12, środki

antykoncepcyjne

1960 -

1975

era

postantybiotyków

Integracja i

zastosowanie

najważniejszych wyników

badań nauk przyrodniczych i

technicznych i

w

biotechnologii

Mikorbiologiczna

produkcja

biopolimerów.

Unieruchamianie

enzymów i

komórek

Anaerobowe

oczyszczanie ścieków

Białko jednokomórkowe

(

SCP)

Enzymy (

środki piorące,

polisacharydy), Xantan,

syrop fruktozowy,

przemysłowy alkohol,

biogaz

1975 nowa

biotechnologia

Optymalizacja konstrukcji

komórek

Technika hybrydowa

Inżynieria genetyczna

Antyciała monoklonalne,

szczepionki, ludzkie

proteiny (

insulina)

---